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Efficient Nitrate Conversion to Ammonia on f-Block Single-Atom/Metal Oxide Heterostructure via Local Electron-Deficiency Modulation

催化作用 材料科学 化学 电子转移 质子化 吸附 电泳剂 离解(化学) 无机化学 光化学 物理化学 离子 有机化学
作者
Ashwani Kumar,Jinsun Lee,Min Gyu Kim,Bharati Debnath,Xinghui Liu,Yosep Hwang,Yue Wang,Xiaodong Shao,Amol R. Jadhav,Yang Liu,Harun Tüysüz,Hyoyoung Lee
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (9): 15297-15309 被引量:79
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c06747
摘要

Exploring single-atom catalysts (SACs) for the nitrate reduction reaction (NO3-; NitRR) to value-added ammonia (NH3) offers a sustainable alternative to both the Haber-Bosch process and NO3--rich wastewater treatment. However, due to the insufficient electron deficiency and unfavorable electronic structure of SACs, resulting in poor NO3--adsorption, sluggish proton (H*) transfer kinetics, and preferred hydrogen evolution, their NO3--to-NH3 selectivity and yield rate are far from satisfactory. Herein, a systematic theoretical prediction reveals that the local electron deficiency of an f-block Gd single atom (GdSA) can be significantly regulated upon coordination with oxygen-defect-rich NiO (GdSA-D-NiO400) support. Thus, facilitating stronger NO3- adsorption via strong Gd5d-O2p orbital coupling and further improving the protonation kinetics of adsorption intermediates by rapid H* capture from water dissociation catalyzed by the adjacent oxygen vacancy site along with suppressed H* dimerization synergistically boosts the NH3 selectivity/yield rate. Motivated by DFT prediction, we delicately stabilized electron-deficient (strongly electrophilic) GdSA on D-NiO400 (∼84% strong electrophilic sites), which exhibited excellent alkaline NitRR activity (NH3 Faradaic efficiency ∼97% and yield rate ∼628 μg/(mgcat h)) along with superior structural stability, as revealed by in situ Raman spectroscopy, significantly outperforming weakly electrophilic Gd nanoparticles, defect-free GdSA-P-NiO400, and reported state-of-the-art catalysts.
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