Efficient Electrocatalytic Nitrate-to-Ammonia Enabled by Reversible Lattice-Oxygen Control

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作者
Qian Wu,Dongsheng Shao,Chencheng Dai,Jiarui Wang,Xiaoning Li,Pengfei Song,Wen Xie,Shibo Xi,Longcheng Zhang,Xiu Zhou Lin,Songzhu Luo,Shirong Sun,Li An,Pinxian Xi,Zhichuan Jason Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (33): 30401-30411 被引量:43
标识
DOI:10.1021/jacs.5c10362
摘要

Understanding the fundamentals governing reactivity and leveraging this knowledge to achieve optimal catalytic performance have long been a core objective in catalysis study. This challenge is particularly pressing for sustainable nitrogen cycle via nitrate reduction (NO 3 – RR) due to its inherent trade-off between high Faradaic efficiency (FE) and low overpotential. Here, we propose a novel strategy to enhance the NO 3 – RR performance by quantitatively regulating surface oxygen activity of transition metal oxides (TMOs) via tuning the metal–oxygen covalency. Using a series of A-site-substituted La 1– x Sr x CoO 3 perovskites, we conduct comprehensive experimental and modeling studies, revealing that NH 3 yield rate and Faradaic efficiency exhibit distinct “volcano” and “W-shaped” dependencies on surface oxygen activity. Notably, La 0.5 Sr 0.5 CoO 3, characterized by balanced metal–oxygen covalency, achieves exceptional activity and selectivity for NO 3 – RR. Mechanistic studies uncover a switchable active site that transitions from a lattice-oxygen vacancy to a nonstoichiometric Co on La 1– x Sr x CoO 3 during NO 3 – RR, accompanied by a dynamic and reversible lattice-oxygen refilling process. This mechanism circumvents the potential-limiting step (PLS) and blocks byproduct formation, driving superior catalytic performance. Our discoveries provide insights for designing advanced TMOs for not only NO 3 – RR but also other oxygen-sensitive reactions, while deepening the understanding of surface dynamics during electrocatalysis.
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