使用水和N2进行电化学N2氧化反应(NOR)是一种可持续的硝酸生产方法，有希望取代具有高能耗和温室气体排放的传统工业合成方法。然而，由于N2的化学惰性和10电子转移的缓慢动力学，探索新兴的电催化剂在很大程度上能够加速电化学N2氧化反应。基于此，青岛大学张立学和丁欣等设计了一种Ru单原子修饰的Ru纳米团簇偶联Mn3O4催化剂(Ru-Mn3O4)，并作为高效NOR电催化剂。性能测试结果显示，0.1 M Na2SO4溶液中，合成的Ru-Mn3O4(6 wt% Ru-Mn3O4)催化剂在1.6 V下实现了高效电催化N2转化，法拉第效率(FE)为28.87%；在2.0 V下的NO3-产率为35.34 μg h-1 mg-1cat，优于以前报道的所有催化剂。此外，稳定性试验表明，Ru-Mn3O4在5个反应循环中，NO3-的产率变化很小，具有优异的稳定性。实验和密度泛函理论(DFT)计算表明，Ru-Mn3O4优异的活性归因于Ru簇和单原子Ru的共存；Ru簇与Mn3O4的协同作用可有效活化化学惰性N2，降低形成*NN(OH)中间体(决速步)的能垒，而丰富的*OH产生和增强的电导率用于调节催化动力学以优化性能。这项工作为在具有多个动力学不同步骤的复杂电催化反应中合理设计电催化剂提供了全新的思路。Catalytic Kinetics Regulation for Enhanced Electrochemical Nitrogen Oxidation by Ru Nanoclusters-Coupled Mn3O4 Catalysts Decorated with Atomically Dispersed Ru Atoms. Advanced Materials, 2022. DOI: 10.1002/adma.202108180
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