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Circumventing Scaling Relations via Gradient Orbital Coupling Promotes Ammonia Electrosynthesis on Cobalt Catalyst

电合成 钴 催化作用 掺杂剂 氨生产 密度泛函理论 氢 吸附 法拉第效率 化学物理 化学 兴奋剂 无机化学 材料科学 电化学 计算化学 物理化学 电极 光电子学 有机化学
作者
Hanle Liu,Shunhan Jia,Limin Wu,Ruhan Wang,Libing Zhang,Xinning Song,Xingxing Tan,Xiaodong Ma,Xiangyuan Jin,Hang Guo,Xiqing Sui,Qian Li,Rongjuan Feng,Lihong Jing,Qingli Qian,Jianling Zhang,Lei He,Xiaofu Sun,Buxing Han
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (32): e202510478-e202510478 被引量:19
标识
DOI:10.1002/anie.202510478
摘要

Abstract Highly efficient electrocatalytic nitrate reduction to ammonia (NH 3 ) relies on the balanced activation of various substrates including nitrate and water, but is currently hindered by the inherent scaling relations governing the adsorption of key reaction intermediates, such as *NO and *H. Herein, we develop a strategy to circumvent these limitations by introducing f–d–p gradient orbital coupling in cobalt oxide (Co 3 O 4 ) through Ce doping. Density functional theory calculations indicate that the lattice strain triggered by the dopant redistributes electron density at the Co and O sites, thereby modulating the adsorption strengths of *NO and *H, which favors the production of NH 3 while suppressing hydrogen evolution reaction. It exhibits a faradaic efficiency of 97.8% and a high yield rate of 3423.0 µg h −1 cm −2 under alkaline conditions. Furthermore, Ce/Co 3 O 4 catalyst shows robust performance over a wide range of nitrate concentrations (from 5 to 200 mM) and excellent cycling stability. Our findings also suggest that the gradient orbital coupling approach can be extended to other lanthanide dopants (e.g., Pr and Nd), offering a broadly applicable platform to break scaling relations and improve NO 3 − ‐to‐NH 3 activity on cobalt catalysts.
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