Enhancing the Electrochemical Nitrate‐to‐Ammonia Performance on Co 3 O 4 via 4 f ‐2 p ‐3 d Orbital Hybridization Engineering

材料科学 电化学 轨道杂交 电子转移 纳米材料 轨道能级差 分子轨道 吸附 原子轨道 纳米技术 八面体 选择性 Boosting(机器学习) 电子 化学物理 法拉第效率 无机化学 电极 电化学电位 化学工程 配体(生物化学) 还原(数学)
作者
Chunyan Shang,Na Meng,Kaixian Huang,Jiao You,Taiyu Liang,Shuai Qi,Qihua Huo,Chen Deng,Xiao-Jie Li,Xue Zhang,Hengpan Yang,Qi Hu,Chuanxin He
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202526795
摘要

Abstract Co 3 O 4 ‐based nanomaterials have been widely applied as electrocatalysts for nitrate reduction (NO 3 ‒ RR) to ammonia (NH 3 ); however, their performance is still unsatisfactory. Here, an attempt is made to increase the NO 3 ‒ RR performance of Co 3 O 4 via rare‐earth (denoted RE) metal‐induced 4 f ‐2 p ‐3 d orbital hybridization. By introducing various single‐atom RE metals (i.e., Y, La, Pr, and Sm) into the octahedral location, the 4 f ‐2 p ‐3 d orbital hybridization can be well regulated to optimize the 3 d orbital configuration of Co 3 O 4 . Consequently, optimum Pr‐doped Co 3 O 4 displays a 3.2‐fold increase in activity for NO 3 ‒ RR to NH 3 compared with its counterpart without Pr. Mechanistic studies combining operando experiments and theoretical calculations reveal that the Pr not only assists Co in adsorbing NO 3 ‒ but also induces 4 f ‐2 p ‐3 d orbital hybridization to increase the * NO adsorption strength and promote electron transfer from Co to * NO, thereby markedly boosting the rate‐determining step of NO 3 − RR. This study provides a new pathway to improve the performance of NO 3 − RR to NH 3 by using the f ‐ p ‐ d orbital hybridization.
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