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Highly Efficient Nitrate to Ammonia Electrocatalysis Enabled by Inverse Core–Shell Isostructural Cu 14 Nanoclusters

纳米团簇 等结构 材料科学 电催化剂 无机化学 催化作用 氨生产 法拉第效率 硝酸盐 电化学 硝酸锌 产量(工程) 纳米颗粒 化学工程 氧化还原 解吸 过渡金属 光化学 氢化物
作者
Chengqi Li,Jianmei Jia,Youqiong Fang,Shan Jin,Yuanxin Du,Lin Xiong,Manzhou Zhu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (37) 被引量:2
标识
DOI:10.1002/adfm.74425
摘要

ABSTRACT Electrocatalytic nitrate reduction reaction (NO 3 RR) offers a sustainable route for simultaneous ammonia (NH 3 ) synthesis and nitrate remediation, but it is hindered by insufficient active site regulation and complex reaction pathway competition. Herein, we report a pair of isostructural Cu 14 nanoclusters with inverse core–shell architectures, namely Cu 14 (PPh 3 ) 8 H 12 ( Cu 8 @Cu 6 ‐PPh 3 ) and Cu 14 [P(PhOCH 3 ) 3 ] 8 H 12 ( Cu 6 @Cu 8 ‐P(PhOCH 3 ) 3 ), as model catalysts to decode the structure‐electronic activity relationship in NO 3 RR. Structural inversion triggers two key modulations: reorganization of surface hydride coordination environments (µ 3 ‐CuH 3 /µ 2 ‐CuH 2 for Cu 8 @Cu 6 ‐PPh 3 vs. µ 3 ‐CuH 3 /µ 2 ‐CuH 3 for Cu 6 @Cu 8 ‐P(PhOCH 3 ) 3 ) and precise tuning of Cu active site electron density. Benefiting from these synergistic effects, Cu 8 @Cu 6 ‐PPh 3 exhibits exceptional NO 3 RR performance with a maximum Faradaic efficiency (FE NH3 ) of 97.1% and an NH 3 yield rate of 37.4 mg mg cat −1 h −1 , outperforming Cu 6 @Cu 8 ‑P(PhOCH 3 ) 3 (66.1%, 20.1 mg mg cat −1 h −1 ). Combined in situ characterizations (FTIR, DEMS) and DFT calculations reveal that core–shell inversion lowers the energy barrier of the rate‐determining step and reduces NH 3 desorption energy (0.14 vs. 0.87 eV), thereby promoting sequential nitrate reduction via NO 3 − →NO 2 − →NO→ * NH x →NH 3 . This work establishes a “core–shell inversion engineering” strategy for designing high‐performance electrocatalysts through atomic‐level electronic‐structural coupling, opening new avenues for sustainable NH 3 synthesis and environmental remediation.
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