Stabilization of Electron‐Deficient Cu1δ+ Species by Cl–Doped CeO2 Constructed via Electrochemical Reconstruction for Electroreduction of Nitrate to Ammonia Over 2500 Hours

材料科学 电化学 氨 催化作用 无机化学 兴奋剂 氨生产 掺杂剂 可逆氢电极 电极 物理化学 工作电极 光电子学 有机化学 化学 生物化学
作者
Siyu Wang,Xiang Ji,Shao‐Chen Wang,Peng Jing,Xuan Xu,Baocang Liu,Jun Zhang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (32) 被引量:23
标识
DOI:10.1002/adfm.202502073
摘要

Abstract Copper (Cu)‐based catalysts have been widely used for electrochemical nitrate reduction reaction (NO 3 − RR) to produce ammonia (NH 3 ), but their industrial application is hindered by their inadequate NH 3 yields and long‐term stability. Herein, a novel catalyst is constructed of electron‐deficient single Cu atoms (Cu 1 δ+ (1 <δ <2)) anchored on oxygen vacancy (Ov)‐enriched hierarchical porous Cl–doped CeO 2 matrix hybridized by carbon (Cu 1 /Cl–CeO 2 @C) via electrochemical reconstruction of Cu 1 /CeOCl@C for efficient NO 3 − RR‐to‐NH 3 . The optimized Cu 1 /Cl–CeO 2 @C shows a large NH 3 yield rate of 9.528 ± 0.174 mg NH3 h −1 cm −2 , a high Faraday efficiency (FE) of 98.8 ± 2.13%, and superior cycling stability for 58 h at −0.5 V versus the reversible hydrogen electrode. Impressively, it can maintain a high NH 3 FE of >95% for 2500 h at −300 mA cm −2 , enabling NH 3 production at a 20‐g scale (20.277 g). Combination of experimental studies and theoretical calculations demonstrates that the electronic structure of Cu 1 δ+ species can be regulated and stabilized by Cl dopant and Ce 3+ /Ov in Cu 1 /Cl–CeO 2 @C via their electronic interactions. The Cu 1 δ+ with a moderate electron‐deficient state promotes the adsorption of NO 3 − , the production of active hydrogen, and the hydrogenation of intermediates, thereby lowering reaction energy barriers, suppressing side reactions, and boosting electrocatalytic NO 3 − RR‐to‐NH 3 conversion.
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