Quantitative Active Hydrogen Modulation via Mastering Interfacial Water Over Single Rare Earth Atom on Copper for NO 3 − ‐to‐NH 3 Electroreduction

催化作用 电化学 吸附 无机化学 化学 从头算 串联 材料科学 化学物理 Atom(片上系统) 分子动力学 制氢 拉曼光谱 从头算量子化学方法 碳纳米管 过渡金属 多相催化 可逆氢电极 拉曼散射 物理化学 产量(工程) 氨生产 电极 水煤气变换反应 化学工程 法拉第效率 碳纤维 金属 分解水 密度泛函理论 计算化学 氧化还原
作者
Yu-Cheng Liu,Haolin Lu,Xue‐Zhi Song,De-Kun Liu,Ji‐Hong Dong,Lizhao Liu,Zhen-Xu Gai,Xin Wang,Anmin Liu,Xiaofeng Wang,Yanfeng Bi,Zhenquan Tan,Chong Peng,Guankui Long,Shuyan Song
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e7719126-e7719126
标识
DOI:10.1002/anie.7719126
摘要

ABSTRACT Electrochemical nitrate reduction to ammonia offers a sustainable route for NH 3 synthesis, where active hydrogen (H*) plays a pivotal role. However, the quantitative modulation of H* and its atomic‐scale impact on catalytic performance remains largely unexplored. Herein, we engineer single‐atom rare earth in copper matrix encapsulated within carbon (CuYb SA @C and CuLa SA @C) for efficient NO 3 − ‐to‐NH 3 conversion. In situ Raman spectroscopy, electrochemical measurements, and ab initio molecular dynamics simulations reveal that the isolated rare earth atoms master the interfacial water structure to enrich K·H 2 O at the catalyst surface, promoting H* generation and utilization. A quantitative positive correlation has been established between interfacial K·H 2 O population, H* utilization rate and catalytic performance via single‐atom site modulation. Impressively, the CuYb SA @C catalyst delivers exceptional NH 3 yield rate of 39.75 ± 1.03 mg·h −1 ·mg cat −1 and FE of 94.5 ± 2.46% at –0.6 V vs. RHE. Mechanistic studies further elucidate a tandem dual‐site mechanism, wherein the Yb single atoms facilitate water adsorption and dissociation, enable directional H* spillover, modulate the electronic structure, and lower the energy barrier for the hydrogenation of N‐containing intermediates on Cu site. This work shifts the paradigm from active‐site‐centric catalyst design toward a quantitative H* concept that prioritizes its spatiotemporal distribution and atomic‐level utilization.
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