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Deciphering Cation-Stabilized *NO 2 at the Molecular Level in Electrocatalytic Nitrate Reduction

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作者
Ru-Yu Zhou,Shisheng Zheng,Rui Ma,Yao-Hui Wang,Mengting Zhao,Chongyuan Zhai,Dong Jin-Chao,Feng Pan,Jian-Feng Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (1): 425-433 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.5c13376
摘要

Electrochemical nitrate reduction (NO3RR) offers a sustainable pathway for ammonia (NH3) production, yet its advancement is limited by a lack of molecular-level understanding of interfacial reaction dynamics. Here, we unravel a synergistic interfacial mechanism for rational catalyst design based on cooperative interfacial modulation. By integrating in situ Raman spectroscopy with multiscale simulations, we uncover a cation-mediated stabilization mechanism of the key *NO2 intermediate on atomically defined Au single-crystal surfaces. We demonstrate that electrolyte cations play a critical role in modulating the local electric field and stabilizing *NO2 via interfacial coordination, thereby controlling its interfacial reactivity and subsequent transformation. Armed with this insight, we employ Sn heteroatom modification to achieve dual-function optimization. The electronic interaction between Sn and Au weakens *NO2 adsorption, lowering the hydrogenation barrier, while the altered interfacial water structure facilitates proton transfer through a reinforced hydrogen-bond network. This synergistic modulation leads to enhanced NH3 selectivity and suppressed hydrogen evolution. Our findings highlight a paradigm shift from an active-site-centric catalyst design to an integrated approach that considers the entire electrochemical interface, where electronic, ionic, and solvent effects are concurrently tuned. This work provides both molecular-level mechanistic insights and a generalizable strategy for designing advanced electrocatalysts for NO3RR and broader proton-coupled electron transfer reactions.
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