Atomically Dispersed Copper Electrocatalysts with Proton‐feeding Centers for Efficient Ammonia Synthesis by Nitrate Electroreduction

材料科学 硝酸盐 氨生产 无机化学 催化作用 质子 电化学 纳米技术 冶金 电极 有机化学 物理化学 化学 物理 量子力学
作者
Yan Li,Jingyang Guo,Yuwei Yang,Bingliang Wang,Haotian Wen,Thanh Son Bui,Shery L. Y. Chang,Nicholas M. Bedford,Emma Lovell,Rahman Daiyan,Rose Amal,Yang Hou,Richard D. Tilley,Zhenhai Xia,Liming Dai
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
被引量:2
标识
DOI:10.1002/adfm.202508619
摘要

Abstract Electrocatalytic conversion of nitrate pollutants into ammonia (NH 3 ) is promising for high‐value chemical production while mitigating environmental pollution. Catalysts play a crucial role in facilitating the necessary chemical reactions, but despite substantial advancements, their efficiency and selectivity remain limited due to the high energy barriers associated with proton transfer. Herein, a unique electrocatalyst system is engineered with isolated copper sites embedded within nitrogen and oxygen co‐doped porous carbon (Cu SA ‐NO/C). This strategically designed electrocatalyst achieves an impressive NH 3 Faradaic efficiency of 92.7% and a yield rate of 24.9 mg h −1 mgCu −1 at a low potential of −0.2 V vs RHE, outperformed most of all previously‐reported atomically dispersed metal‐nitrogen carbon (M‐N‐C) catalysts. The catalytically active site in this electrocatalyst is identified as Cu atom coordinated with two N atoms and two O atoms (CuN 2 O 2 ). In situ infrared absorption spectroscopy and kinetics isotope experiments revealed that the intrinsic CuN 2 O 2 dramatically enhances the water dissociation process and accelerates the protonation kinetics during nitrate reduction. Furthermore, the first principles calculations show that CuN 2 O 2 catalytic sites also promote the adsorption of NO 3 − and desorption of NH 3 , along with the significantly facilitated water dissociation kinetics for proton feeding.
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