Surface Dynamic Redox Modulation of CuFe Achieving Near‐Unity Selectivity in Solar‐Integrated Nitrate‐to‐Ammonia Conversion

催化作用 材料科学 氧化还原 法拉第效率 吸附 选择性 产量(工程) 化学工程 石墨烯 导电体 电极 单层 纳米技术 工作(物理) 合金 动力学 化学 工作职能 电化学 多相催化 化学物理 无机化学 电催化剂
作者
Wenxing Chen,Peng Guo,Shoufu Cao,Wenjing Huang,Xiaoqing Lu,Pengan Zhang,Youzi Zhang,Y. Wang,Ruiqing Zou,Sibi Liu,Xuanhua Li
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (16): e7181582-e7181582
标识
DOI:10.1002/anie.7181582
摘要

Electrocatalytic nitrate reduction (NO3 -RR) provides a sustainable pathway for NH3 production under ambient conditions. Although operation in neutral media is more practically relevant, the reaction generally suffers from sluggish kinetics and unfavorable hydrogenation steps, which collectively limit NH3 selectivity. Here, we develop a graphene-encapsulated CuFe alloy catalyst (CuFe-G) that enables highly efficient NO3 -RR via a dynamically generated CuFeδ+ surface active layer. The synergistic alloy interface drives the spontaneous conversion of NO3 - to NO2 -, while in Situ surface redox dynamics create an active CuFeδ+ layer that optimizes *NO adsorption and accelerates hydrogenation kinetics. In parallel, encapsulation of the dynamic CuFeδ+ species within multilayer graphene constructs a mechanically robust and highly conductive interface that stabilizes the active sites and facilitates rapid charge transport. As a result, CuFe-G delivers a peak NH3 Faradaic efficiency of 99.63% at -1.0 V vs. RHE, together with an NH3 yield rate of 8.03 mg h-1 mgcat -1. When integrated into a CuFe-G‖RuO2 electrolyzer, the system further achieves a current density of 400 mA cm-2 at 2.6 V and maintains a solar-to-ammonia efficiency of 4.1% under fluctuating illumination. This work therefore establishes a dynamically redox-regulated catalytic platform for sustainable, solar-driven nitrate-to-ammonia conversion.
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