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Unveiling structural evolution of Fe single atom catalyst in nitrate reduction for enhanced electrocatalytic ammonia synthesis

催化作用 氨生产 硝酸盐 Atom(片上系统) 还原(数学) 电催化剂 无机化学 材料科学 化学 光化学 电化学 物理化学 有机化学 电极 计算机科学 嵌入式系统 几何学 数学
作者
Xusheng Cheng,Wenzhe Shang,Yuehui Li,Jinwen Hu,Jingya Guo,Dequan Cao,Naitian Zhang,Songlin Zhang,Suchan Song,Tianna Liu,Wei Liu,Yantao Shi
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:17 (8): 6826-6832 被引量:30
标识
DOI:10.1007/s12274-024-6628-z
摘要

Atomic transition metal–nitrogen–carbon electrocatalysts exhibit outstanding activity in various electrocatalytic reactions. The challenge lies in predicting the structure of the active center, which may undergo changes under applied potential and interact with reactants or intermediates. Advanced characterization techniques, particularly in-situ X-ray absorption spectroscopy (XAS), provide crucial insights into the structural evolution of the metal active center during the reaction. In this study, nitrate reduction to ammonia (NO3RR) was selected as a model reaction, and we introduced in-situ XAS to reveal the structural evolution during the catalytic process. A novel single atom catalyst of iron loaded on three-dimensional nitrogen-carbon nanonetwork (designated as Fe SAC/NC) was successfully synthesized. We unraveled the structural transformations occurring as pyrrole-N4-Fe transitions to pyrrole-N3-Fe throughout the NO3RR process. Notably, the Fe SAC/NC catalyst exhibited excellent catalytic activity, achieving a Faradaic efficiency of 98.2% and an ammonia generation rate of 22,515 µg·h−1·mgcat−1 at −0.8 V versus reversible hydrogen electrode. Theoretical calculations combined with in-situ spectroscopic characterization showed that pyrrole-N3-Fe reduced the energy barrier from *NO to *NHO and improved the selectivity of ammonia. This provides a robust reference for the design of efficient nitrate-to-ammonia synthesis catalysts.
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