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A Metal–Sulfur–Carbon Catalyst Mimicking the Two‐Component Architecture of Nitrogenase

固氮酶 催化作用 硫黄 氨生产 吸附 金属 碳纤维 电化学 电子转移 产量(工程) 化学 材料科学 光化学 无机化学 有机化学 固氮 氮气 物理化学 电极 复合材料 复合数 冶金
作者
Junkai Xia,Jiawei Xu,Bing Yu,Xiao Liang,Zhen Qiu,Hao Li,Huajun Feng,Yongfu Li,Yanjiang Cai,Hai‐Yan Wei,Haitao Li,Hai Xiang,Zechao Zhuang,Dingsheng Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (45): e202412740-e202412740 被引量:50
标识
DOI:10.1002/anie.202412740
摘要

Abstract The production of ammonia (NH 3 ) from nitrogen sources involves competitive adsorption of different intermediates and multiple electron and proton transfers, presenting grand challenges in catalyst design. In nature nitrogenases reduce dinitrogen to NH 3 using two component proteins, in which electrons and protons are delivered from Fe protein to the active site in MoFe protein for transfer to the bound N 2 . We draw inspiration from this structural enzymology, and design a two‐component metal–sulfur–carbon (M−S−C) catalyst composed of sulfur‐doped carbon‐supported ruthenium (Ru) single atoms (SAs) and nanoparticles (NPs) for the electrochemical reduction of nitrate (NO 3 − ) to NH 3 . The catalyst demonstrates a remarkable NH 3 yield rate of ~37 mg L −1 h −1 and a Faradaic efficiency of ~97 % for over 200 hours, outperforming those consisting solely of SAs or NPs, and even surpassing most reported electrocatalysts. Our experimental and theoretical investigations reveal the critical role of Ru SAs with the coordination of S in promoting the formation of the HONO intermediate and the subsequent reduction reaction over the NP‐surface nearby. Such process results in a more energetically accessible pathway for NO 3 − reduction on Ru NPs co‐existing with SAs. This study proves a better understanding of how M−S−Cs act as a synthetic nitrogenase mimic during ammonia synthesis, and contributes to the future mechanism‐based catalyst design.
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