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Pulse‐Electrodeposited Single‐Atom Alloys with Steered Surface Hydrogenation Dynamics for Air‐to‐Fertilizer Synthesis

材料科学 产量(工程) 电化学 可再生能源 化学工程 电化学能量转换 催化作用 法拉第效率 动能 曲面(拓扑) 能量转换 铂金 纳米技术 动力学 兴奋剂 工作(物理) 制氢 能量转换效率 反应速率常数 过电位 工艺工程 储能 脉搏(音乐) 相干势近似 电极
作者
Mei Yi,Pengfei Wang,Rongguang Shi,Guo Wei,Dongqi Yang,Panpan Li,Guihua Yu,Zhaoyu Jin
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e21345-e21345
标识
DOI:10.1002/anie.202521345
摘要

Abstract Harnessing renewable electricity to transform abundant environmental resources into fertilizers is central to sustainable development. Electrochemical nitrate‐to‐ammonia conversion provides a promising route, yet its efficiency is constrained by the elusive surface hydrogenation dynamics governing multi‐step *NO x reduction. Here, a cooperative descriptor (Ψ) derived from large‐language‐models‐assisted mining and energetic analysis successfully identifies NiCu single‐atom alloys (SAAs) as optimal catalysts. Pulse electrodeposition delivers atomically dispersed alloys with tunable structures, achieving a maximum Faradaic efficiency (FE) of ∼95% and yield rate (YR) of ∼11.4 mg h −1 cm −2 . In situ surface‐interrogation scanning electrochemical microscopy (SI‐SECM) provides quantitative information on the time‐resolved surface‐active hydrogen (*H) generation‐consumption and *NO x hydrogenation rate constants (NiCu > CoCu ≫ MnCu ≈ FeCu > Cu), directly aligning surface kinetics with selectivity. Theoretical investigations further confirmed that Ni doping lowers the barriers for *H formation and *NO x hydrogenation. A plasma‐electrochemical‐CO 2 capture system demonstrated continuous “air‐to‐fertilizer” conversion with reduced energy consumption and potential net‐negative emissions. These results establish a transferable design rule that bridges theoretical descriptors with operando hydrogenation dynamics, providing a mechanistic foundation and practical pathway toward scalable, zero‐carbon fertilizer production.
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