Nonmetallic Modified Atomically Precise Octagold Nanoclusters for Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia

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作者
Xiaojuan Zhu,Wei-Dan Si,Kaiyu Qu,Le-yang Song,Jing Wang,Yushuang Gong,Di Sun,Xiang Liu,An-Liang Wang,Xiaojuan Zhu,Wei-Dan Si,Kaiyu Qu,Le-yang Song,Jing Wang,Yushuang Gong,Di Sun,Xiang Liu,An-Liang Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c15788
摘要

Atomically precise metal nanoclusters (NCs) with metal cores functionalized by nonmetallic elements hold great promise for electrocatalytic NO3- reduction reaction (NO3RR). However, elucidating structural evolution during catalysis and precisely identifying the active sites remain formidable challenges. Herein, we have synthesized [Au8S2(dppm)4]2+ and [Au8Se2(dppm)4]2+ (dppm: Ph2PCH2PPh2) NCs with Au cores modified by S or Se atoms and subjected them to electrochemical pre-activation. Comprehensive experiments reveal that pre-activation leads to the removal of one dppm ligand from both NCs, thereby exposing metallic Au sites. As NO3RR catalysts, the activated [Au8S2(dppm)4]2+ achieves an NH3 yield rate of 1108.47 mg h-1 mgAu-1 and a Faradaic efficiency of 98.34%, significantly surpassing [Au8Se2(dppm)4]2+, most reported NCs, and conventional nanocatalysts. Mechanistic studies unveil that the exposed metallic Au sites after pre-activation serve as the primary catalytic center. Furthermore, the introduction of S atoms into the Au core induces a more positive surface potential, upshifts the Au-d band center, enhances NO3- adsorption, and strengthens the balance between the generation and consumption of active hydrogen, collectively boosting the NO3RR performance. This work not only provides definitive experimental evidence for structural evolution and active-site identification in atomically precise NCs under electrolysis, but also reveals the distinct effects of different nonmetallic element modifications on catalytic performance.
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