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Coupled Pdδ--Cuδ+ Dipole for Enhanced Aqueous Nitrate Valorization at Ultralow Potentials

水溶液 硝酸盐 放射化学 化学 无机化学 核化学 材料科学 物理化学 有机化学
作者
Huihuang Chen,Jiayin Li,Runze Shi,Yue Wu,Bing Zhou,Yancai Yao,Zhigang Geng,Lianzhou Wang,Lizhi Zhang,Maohong Fan,Bo Yang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (35): 31677-31689 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c09566
摘要

Nitrate ( NO 3 − ) pollution poses significant threats to water quality and the global nitrogen cycle. The electrochemical NO 3 − reduction reaction (NO 3 RR) emerges as a promising solution for NO 3 − removal and sustainable ammonia (NH 3 ) production. However, it suffers from an insufficient atomic hydrogen (*H) supply and poor nitrite ( NO 2 − ) adsorption at low potentials, which results in restrained NO 3 − -to-NH 3 conversion and notorious NO 2 − accumulation. Herein, we propose a dipole strategy that utilizes coupled divergent dual centers (Pd δ− -Cu δ+ ) in binder-free monolithic single-atom alloy electrodes (Pd 1 Cu) to overcome these challenges at ultralow potentials. In-situ experiments and theoretical simulations reveal that the polarized atomic Pd δ− dramatically enhances *H supply by facilitating water dissociation into *H, which then readily spills over to the adsorption-strengthened NO 2 − on adjacent Cu δ+, thus promoting rapid deep hydrodeoxygenation at ultralow potentials. Furthermore, the upshifted d -band center inhibits *H self-coupling and reduces the thermodynamic energy barrier for the *NO intermediate hydrogenation. Leveraging these advantages, the coupled Pd δ− -Cu δ+ dipole achieved 100% NO 3 − removal, 100% NH 3 selectivity, near-zero NO 2 − accumulation, 94.4% NH 3 Faradaic efficiency, and an NH 3 yield rate of 1.98 mM h –1 cm –2 at just −0.2 V vs RHE, outperforming the monometallic counterparts and reported advanced catalysts. The proposed metal–dipole strategy can provide a universal principle for the rational design of electrocatalysts to valorize pollutants into valuable ammonia products.
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