Pulse-Driven Spatiotemporal Cooperativity in a Biomimetic Nanoreactor for Efficient Ammonia Electrosynthesis from Nitrate

纳米反应器 化学 纳米技术 氨生产 合作性 法拉第效率 电化学 催化作用 阳极 级联 组合化学 硝酸盐 生物系统 产量(工程) 工作(物理) 联轴节(管道) 分区(防火) 化学工程
作者
Cuilin Meng,Chenxin Xie,Yifan Ren,Jingguo Li,Mei Liu,Xie Quan,Yanbiao Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c00158
摘要

Inspired by compartmentalization and dynamic regulation in cellular systems, we developed a spatiotemporal cooperative strategy by coupling a biomimetic compartmentalized nanoreactor (Co@C@Cu) with a dynamic pulsed potential regime, which integrates both spatial and temporal regulation of the electrochemical nitrate reduction reaction. Spatially, the Cu shell adsorbs and stepwise deoxygenates/hydrogenates NO3- derived intermediates; the Co core acts as an active H* pump; and a defective carbon interlayer forms a directional H* bridge and dynamic reservoir that mediates controlled H* spillover. This spatial arrangement ensures efficient intermediate conversion by locally controlling H* delivery and preventing the loss of key intermediates. Temporally, the alternating potential pulses decouple the deoxygenation and hydrogenation steps and dynamically optimize kinetics and control H* generation and consumption, thus balancing H* supply and demand in real time. In situ spectroscopy and theoretical simulations collectively confirmed the sequential deoxygenation/hydrogenation pathway and reveal the carbon interlayer's dual H*-mediating roles. The system achieves an outstanding NH3 Faradaic efficiency of 98.0% and a yield of 15.8 mg h-1 mgcat-1, surpassing several state-of-the-art catalysts under constant potential. This work establishes a generalizable spatiotemporal synergy strategy to regulate complex cascade reactions at the electrode-electrolyte interface and provides a promising paradigm for complex multistep electrocatalytic conversion.
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