Interface Reconstruction Induced by Rare-Earth Incorporation Stabilizes High-Coordination Cu+ Sites for Efficient Electrochemical Nitrate Reduction to Ammonia

催化作用 法拉第效率 材料科学 电化学 氨生产 吸附 选择性催化还原 无机化学 化学工程 过渡金属 协同催化 电极 产量(工程) 共价键 氧化还原 位阻效应 硝酸盐 多相催化 反应机理
作者
Jiale Li,Yiying Zhong,Wantong Sun,Moujie Huang,Xiaoqian Ou,Qianling Zhang,Chuanxin He,Xiangzhong Ren,Zhaoyan Luo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (30): 41030-41040
标识
DOI:10.1021/acsami.6c09661
摘要

Abstract The electrochemical nitrate reduction reaction (eNO3–RR) represents a promising route for simultaneous wastewater treatment and sustainable ammonia synthesis. While Cu2O catalysts featuring electron-deficient Cu+ sites have been widely studied for eNO3–RR, their practical implementation is hindered by self-reduction and structural instability. Constructing Cu–O–M interfacial sites, which enhance charge transfer and stabilize catalytic sites, presents an effective strategy for addressing these challenges. Here, we report a La incorporation strategy to create Cu2O–LayO heterointerfaces (Cu1La4) for highly efficient conversion of NH3. Experimental and theoretical studies indicate that the high-coordinated Cu+ active sites at the Cu2O/La2O2(CO3) interface, together with the steric hindrance introduced by La incorporation, optimize the adsorption energy of key intermediates, thereby circumventing the high energy barrier associated with the *NH3→NH3 transition on traditional low-coordination Cu+ sites. Furthermore, the covalent Cu–O–La interfacial bonding inhibits Cu+ reduction and stabilizes the catalytic system. The optimized Cu1La4 catalyst demonstrates outstanding eNO3–RR performance, achieving a Faradaic efficiency (FE) of 94% at –0.6 V and an NH3 yield rate of 234 μmol h–1 cm–2. Significantly, the Cu1La4 catalyst exhibited exceptional stability in a membrane electrode assembly (MEA), sustaining ∼7.8 mg h–1 cm–2 NH3 production and high FE of ∼85% over 150 h at 400 mA.
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