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Modulating the valence electronic structure of Co3O4 to improve catalytic activity of electrochemical nitrate-to-ammonia conversion

过电位 法拉第效率 电化学 电催化剂 氨生产 兴奋剂 材料科学 化学 化学工程 分析化学(期刊) 纳米技术 物理化学 电极 光电子学 工程类 有机化学
作者
Wenda Chen,Zhida Chen,Zhencheng Huang,Lirong Zheng,Zhao Xiaojuan,Jiangtao Hu,Huiqun Cao,Yongliang Li,Xiangzhong Ren,Xiaoping Ouyang,Shenghua Ye,Xueqing Yan,Qianling Zhang,Jianhong Liu
出处
期刊:Science China. Materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:66 (10): 3901-3911 被引量:47
标识
DOI:10.1007/s40843-023-2552-1
摘要

Electrochemical conversion of NO3− to NH3via the nitrate reduction reaction (NO3−RR) is a promising approach for ammonia production and storage of “green hydrogen”. Co3O4 has shown satisfactory Faradaic efficiency toward $${\rm{N}}{{\rm{H}}_3}\,({\rm{F}}{{\rm{E}}_{{\rm{N}}{{\rm{H}}_3}}})$$ and stability, making it a potential electrocatalyst for the NO3−-to-NH3 conversion. However, the high overpotential required for triggering the NO3−RR on Co3O4 limits its conversion efficiency. In this study, we synthesized Cu-doped Co3O4 porous hollow nanospheres (Cu−Co3O4 PHNSs) for NO3−RR. Cu-doping effectively reduced the required overpotential and improved the NH3 yield rate on the Co3O4 matrix without reducing $${\rm{F}}{{\rm{E}}_{{\rm{N}}{{\rm{H}}_3}}}$$ and stability. Both experimental and theoretical analyses demonstrated that Cu-doping up-shifted the highest occupied state (HOS) of Co3O4, narrowed the energy barrier between the HOS of Co3O4 and the lowest unoccupied molecular orbital of NO3−, and thus reduced the overpotential required for triggering the electron transfer from Co3O4 to NO3−, thereby endowing the as-prepared Cu−Co3O4 PHNSs with outstanding electrocatalytic activity and durability for the NO3−-to-NH3 conversion. This study provides a novel theoretical perspective on the regulation of electrochemical performance.
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