Lattice-Nitrogen-Mediated Electrochemical Nitrate Reduction Boosted by Single-Atom Antimony Doping

化学 硝酸盐 氨 无机化学 电化学 锑 催化作用 氨生产 吸附 产量(工程) 氮气 氧化还原 电极 法拉第效率 溴酸盐 动力学 选择性催化还原 阴极保护 基质(化学分析) 铂金 反应机理 化学工程 金属 电催化剂 钯
作者
Xinyue Shi,Xiaohua Yu,Minghui Xie,Jianwei Wu (388384),Ping Zhang,Hainan Wei,Su Ma,Yujie Cui,Na Xu,Xuan Peng,Guohua Zhang,Y. C. Zhu,Jiayi Li,Min‐Hsin Yeh,Wei-Hsiang Huang,Jiwei Ma,Hongfei Cheng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (34): 37352-37362
标识
DOI:10.1021/jacs.6c12366
摘要

Stable lattice-nitrogen-mediated nitrate reduction could alleviate the intrinsically sluggish kinetics of ammonia synthesis, but sustaining this pathway remains challenging under reaction conditions. Here, in situ characterizations combined with theoretical calculations reveal that lattice nitrogen in a Co-N solid solution (CoNx) is directly involved in nitrate reduction. However, reconstruction driven by the coupled effects of the cathodic field and oxidative nitrate adsorption causes structural collapse and irreversible lattice-nitrogen loss, thereby interrupting the lattice-nitrogen-mediated pathway. Introducing Sb single atoms (SAs) into the CoNx matrix stabilizes the framework through Sb-Co interactions with appreciable covalent character. This stabilization enables a regenerative lattice-nitrogen cycle in which lattice-nitrogen is hydrogenated and released as ammonia, while the resulting nitrogen vacancies capture nitrate to replenish lattice-nitrogen and complete the cycle. Moreover, Sb SAs promote lattice-nitrogen activation, strengthen nitrate capture at nitrogen-vacancy sites, and thereby optimize the reaction kinetics. As a result, the CoNx-Sb catalyst achieves a maximum Faradaic efficiency for ammonia of 97.00 ± 2.58%, a maximum ammonia yield rate of 85.18 ± 2.37 mg h-1 cm-2, and stable operation in a membrane electrode assembly for over 200 h. These findings highlight the importance of structural stabilization in sustaining lattice-nitrogen-mediated nitrate reduction.
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