Oxygen‐Incorporation‐Engineered Interfacial Water Modulation on Single‐Atom Cu Sites for Enhanced Dilute Nitrate Electroreduction

催化作用 吸附 化学 电催化剂 无机化学 产量(工程) 水溶液 硝酸盐 法拉第效率 氧气 电极 析氧 氮气 过渡金属 化学工程 亲核细胞 金属 反应速率 反应中间体 碱金属 氧化还原 电极电位 可逆氢电极
作者
Jiangyi Guo,Lu-Hua Zhang,Guo Yabo,Chao-Xiang Shi,Ali Han,Dingsheng Wang,Fengshou Yu,Jiangyi Guo,Lu-Hua Zhang,Guo Yabo,Chao-Xiang Shi,Ali Han,Dingsheng Wang,Fengshou Yu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e16401-e16401
标识
DOI:10.1002/anie.202516401
摘要

Abstract The efficiency of nitrate reduction reaction (NO 3 RR) is highly dependent on the complex interfacial microenvironment, where the triumvirate of alkali metal cations, water network, and NO 3 − adsorption dynamics collectively dictate reaction activity and selectivity. However, how the structural engineering of catalyst governing the interfacial microenvironment is still unclear, yet critical for the construction of efficient catalytic system. In this work, we develop a series of oxygen‐engineered Cu–NCO x SACs featuring asymmetric Cu─N 3 O 1 active site with tunable oxygen‐containing functional groups that enable highly efficient NO 3 RR in dilute nitrate concentrations (100 ppm NO 3 − –N). Experimental and theoretical results show that the introduction of Cu─O coordination results in the pronounced electron‐deficient Cu site, which is beneficial for NO 3 − adsorption and activation. Meanwhile, the electron‐rich nucleophilic oxygen functionalities specifically O = C─O and C = O can efficiently trap Na⁺‐hydrated water (Na⁺–H 2 O) being close to the electrode through electrostatic interactions. The NO 3 RR performance follows a distinct volcano relationship with interfacial Na⁺–H 2 O concentration due to the enhanced HER with large localized *H enrichment. As a result, the Cu–NCO M electrocatalyst possessing optimal oxygen incorporation exhibits an exceptional NH 3 Faradaic efficiency (FE NH3 ) of 96.7% with an outstanding NH 3 yield rate of 10.5 mol h −1 g Cu −1 . This research provides an effective O‐incorporation strategy to boost NO 3 RR performance in dilute NO 3 − aqueous solution by precisely controlling the interfacial water structure around asymmetric Cu SACs centers.
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