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

化学 过电位 催化作用 电催化剂 氧气 法拉第效率 无机化学 过渡金属 析氧 选择性 化学物理 金属 化学工程 纳米技术 电化学 电极 物理化学 有机化学 材料科学 工程类 生物化学
作者
Qian Wu,Dongsheng Shao,Chencheng Dai,Jiarui Wang,Xiaoning Li,Pengfei Song,Wen Xie,Shibo Xi,Longcheng Zhang,Xiu Lin,Songzhu Luo,Shirong Sun,Li An,Pinxian Xi,Zhichuan J. Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
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 (NO3-RR) due to its inherent trade-off between high Faradaic efficiency (FE) and low overpotential. Here, we propose a novel strategy to enhance the NO3-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 La1-xSrxCoO3 perovskites, we conduct comprehensive experimental and modeling studies, revealing that NH3 yield rate and Faradaic efficiency exhibit distinct "volcano" and "W-shaped" dependencies on surface oxygen activity. Notably, La0.5Sr0.5CoO3, characterized by balanced metal-oxygen covalency, achieves exceptional activity and selectivity for NO3-RR. Mechanistic studies uncover a switchable active site that transitions from a lattice-oxygen vacancy to a nonstoichiometric Co on La1-xSrxCoO3 during NO3-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 NO3-RR but also other oxygen-sensitive reactions, while deepening the understanding of surface dynamics during electrocatalysis.
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