Tandem Catalysis in CuO/ZnMnO3 Heterostructures for Efficient Electrooxidation of N2 to Nitrate

化学 催化作用 串联 电化学 电合成 硝酸盐 产量(工程) 法拉第效率 异质结 组合化学 氧化还原 级联反应 氮气 无机化学 反应中间体 电催化剂 密度泛函理论 惰性 化学反应工程 化学工程 光化学 反应机理 纳米技术 速率决定步骤 多相催化 反应速率
作者
Yuan Yuan,Xitang Qian,Shiyuan Liu,Qingbo Wa,Yinuo Wang,Xiaoyi Qiu,Yan Zhang,Siqi Lu,Yuxiang Lyu,Hua Zhang,Minhua Shao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (35): 38205-38214
标识
DOI:10.1021/jacs.6c10955
摘要

Nitrate is indispensable in modern agriculture and industry, yet its production via the energy-intensive Haber-Bosch and Ostwald oxidation processes results in significant carbon emissions. Electrocatalytic nitrogen oxidation reaction (eNOR) offers a highly sustainable and decentralized alternative for nitrate synthesis. However, the inherent challenge of N2 activation, stemming from its extremely inert triple bond, and the kinetically sluggish nature of the multielectron-transfer pathway severely impede its practical application. Inspired by multielectron cascade processes, we rationally engineered a CuO/ZnMnO3 heterostructure catalyst to leverage tandem catalysis, deconstructing the formidable multielectron-transfer pathway of N2 oxidation. This innovative heterostructure spatially decouples nitrogen activation from subsequent oxidation, effectively breaking down the overall reaction into lower-energy, stepwise transformations. The catalyst achieves an enhanced nitrate yield rate of 52.1 μmol h-1 mg-1 and a Faradaic efficiency of 45.2%, surpassing single-component benchmarks (1.6-fold higher activity than ZnMnO3) and most reported state-of-the-art eNOR catalysts with exceptional long-term stability. Through comprehensive kinetic analysis, in situ differential electrochemical mass spectrometry, and density functional theory calculations, we provide compelling evidence supporting the tandem reaction mechanism. Specifically, N2 is initially activated and partially oxidized to the key intermediate N2O on the ZnMnO3 component, which is then efficiently captured and further oxidized to nitrate on the CuO component. This work not only presents a highly efficient and stable catalyst for sustainable nitrate electrosynthesis but also validates tandem-site engineering as a strategic paradigm for managing complex multielectron transfer reactions.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
形成完成签到,获得积分10
1秒前
咔敏完成签到 ,获得积分10
2秒前
机智的邹邹完成签到 ,获得积分10
5秒前
钰泠完成签到 ,获得积分10
5秒前
5秒前
隔壁海绵宝宝完成签到,获得积分10
6秒前
为你等候完成签到,获得积分10
7秒前
标致思枫完成签到,获得积分10
7秒前
半夏完成签到,获得积分10
8秒前
时尚若雁完成签到,获得积分10
8秒前
落后的小伙完成签到,获得积分10
8秒前
牧青完成签到,获得积分0
9秒前
今后应助XCY采纳,获得10
9秒前
张777粒粒完成签到,获得积分10
9秒前
MoNesy完成签到,获得积分10
13秒前
新德里梅塔洛1号完成签到,获得积分10
14秒前
15秒前
Zoeyren完成签到,获得积分10
16秒前
19秒前
无名的人完成签到,获得积分10
19秒前
lichunrong完成签到,获得积分10
19秒前
ReginaLee完成签到 ,获得积分10
20秒前
Chief完成签到,获得积分0
20秒前
小程同学完成签到,获得积分10
20秒前
风清扬应助生动幼菱采纳,获得10
21秒前
2025迷完成签到 ,获得积分10
23秒前
jadespring完成签到,获得积分10
24秒前
luoyukejing完成签到,获得积分10
25秒前
所所应助卡卡采纳,获得10
26秒前
魁梧的开山完成签到 ,获得积分10
27秒前
韩小青完成签到 ,获得积分10
28秒前
论文真难写完成签到,获得积分10
29秒前
hanlixuan完成签到 ,获得积分10
31秒前
Loong完成签到,获得积分10
32秒前
kitsch完成签到 ,获得积分10
32秒前
xytjoe完成签到,获得积分10
32秒前
诗酒梦芳华完成签到 ,获得积分10
33秒前
37秒前
2025晨晨完成签到 ,获得积分10
37秒前
晃悠悠的可乐完成签到 ,获得积分10
40秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
The anomeric effect 1000
Principles of town planning: translating concepts to applications 1000
Navigating Normative Orders: Interdisciplinary Perspectives 750
1 Peter and Christ's Descent to the Dead in Its Early Christian Reception 700
Organizational Behavior 510
Management and the Arts 510
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 计算机科学 内科学 物理 复合材料 催化作用 细胞生物学 无机化学 光电子学 物理化学 电极 基因
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 7732545
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9283362
关于积分的说明 20156915
捐赠科研通 7310109
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3304154
关于科研通互助平台的介绍 2456992
邀请新用户注册赠送积分活动 2313268