Reconstructed low-valent Fe single-atom sites on deficient TiO 2 enable electrocatalytic nitrate reduction to ammonia

氨 无机化学 还原(数学) 化学 硝酸盐 氨生产 电催化剂 材料科学 催化作用 氧还原反应 氧还原 化学工程 核化学 电化学 电极 氮气 氧化还原
作者
Shan Hu,Yuxin Shi,Qiannan Bi,Xiaoyan Liu,Panzhe Qiao,Guisheng Li,Ru Zheng,Dieqing Zhang
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:19 (8): 94908792-94908792
标识
DOI:10.26599/nr.2026.94908792
摘要

Abstract Electrochemical nitrate (NO3−) reduction reaction (NO3RR) offers a promising route for NO3− remediation and sustainable ammonia (NH3) synthesis, yet its efficiency is often constrained by the hydrogenation of nitrogen-containing intermediates. Herein, we report Fe single atoms anchored on oxygen-vacancy-rich TiO2 nanosheet assemblies (FeSA-TiO2-Ov) for efficient NO3− to NH3 conversion. The FeSA-TiO2-Ov catalyst achieves a high NH3 yield rate of 16.6 mg·h−1·cm−2 at −0.5 V versus reversible hydrogen electrode (vs. RHE), accompanied by a maximum Faradaic efficiency of 92% and excellent durability over 40 h. Operando X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy reveals a gradual decrease in Fe valence and contraction of the Fe–O coordination shell, confirming the formation of reconstructed low-valent Fe single-atom active sites during NO3RR. Theoretical calculations and spectroscopic analysis further indicate that Fe sites are effective for *NO hydrogenation to the *NOH intermediate, thereby promoting the efficient formation of NH3. These findings identify the reconstructed low-valent Fe single atoms as the active sites for selective electrosynthesis of NH3, providing a mechanistic framework for designing single-atom catalysts applicable to multistep electrocatalytic reduction reactions.
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