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Copper‐Driven Structural Reinforcement of CoFe LDH Enhances Nitrate Adsorption and Accelerates Deoxygenation‐Hydrogenation Kinetics for Electrocatalytic Nitrate Reduction

电化学 催化作用 无机化学 化学 硝酸盐 法拉第效率 动力学 化学工程 材料科学 电催化剂 除氧 吸附 可逆氢电极 选择性 亚硝酸盐 X射线光电子能谱 化学动力学 氨生产 电极
作者
Chang Li,Yanfei Chen,Liangjun Chen,Xue-Lin Yang,Wen Zhang,Hang Lei,Wenjie Mai,Zilong Wang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:: e73305-e73305
标识
DOI:10.1002/smll.73305
摘要

The electrochemical nitrate-to-ammonia reduction reaction (e-NO3RR) attractively reconciles nitrate remediation with value-added NH3 synthesis; yet, its practical application is hindered by an intricate eight-electron pathway, which results in mechanistic ambiguity and sluggish kinetics. Herein, atomic Cu is strategically implanted to regulate the electronic structure of the CoFe layered double hydroxides (LDH), thereby expanding the interlayer spacing, optimizing lattice parameters, and adjusting the Co/Fe coordination configuration. Copper-Driven structural reinforcement that propels nitrate-to-ammonia conversion, the optimized Cu-CoFe LDH catalyst delivers a Faradaic efficiency of 94% with an ammonia yield of 0.498 mmol h-1 cm-2 in e-NO3RR. Consequently, the as-assembled Zn-nitrate battery achieves a power density of 5.07 mW cm-2 with excellent cycling stability. In situ infrared spectra and differential electrochemical mass spectrometry characterizations combined with theoretical calculations reveal that Cu incorporation into CoFe LDH intensifies nitrate adsorption, accelerates the deoxygenation and hydrogenation of key intermediates, and suppresses the hydrogen evolution reaction. These optimized properties collectively elevate ammonia synthesis selectivity and enable efficient electrocatalytic nitrate reduction. This study implements a structural-reinforcement strategy that integrates electronic structure optimization with reaction kinetics enhancement, providing fresh insight into efficient electrocatalysts for NH3 synthesis.
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