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CO 2 ‐Mediated Dynamic Site Modulation in Copper Catalysts for Selective Electrocatalytic Nitrite‐to‐Ammonia Conversion

材料科学 催化作用 亚硝酸盐 无机化学 氨生产 硝酸盐 冶金 有机化学 化学
作者
Liyao Gao,Hao Sun,Yizhe Li,Haoran Sun,Haoyang Wu,Longtao Ren,Qinghong Xu,Jitao Chen,Man Zhao,Wen Liu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (1)
标识
DOI:10.1002/adfm.202512473
摘要

Abstract The rational modulation of catalytic sites to steer multi‐step reaction pathways remains pivotal yet challenging in electrochemical ammonia synthesis. Herein, by investigating three representative copper configurations—single atom (Cu–N 4 ), cluster embedded (Cu–N 4 /Cu x ), and nanoparticle (Cu–NPs)—how CO 2 chemisorption differentially engineers active sites to optimize nitrite‐to‐ammonia conversion is unraveled. Systematic evaluations demonstrate CO 2 ’s tripartite role: 1) Stabilizing * NOOH intermediates through electronic modulation (Bader charge analysis), 2) Suppressing hydrogen evolution via site‐specific blocking ( * COO⁻ on Cu–N 4 , * CO on Cu–NPs; in situ Raman), and 3) Reducing the NO 2 → NOOH barrier on Cu–NPs (ΔG‡ = 0.34 eV by DFT). The synergistic Cu–N 4 /Cu x configuration achieves 94.5% NH 3 Faraday efficiency (FE) and yield rate (3236 µg h −1 cm −2 ) under CO 2 , substantially outperforming isolated components (Cu–N 4 : 78.1% FE/2100 µg h −1 cm −2 ; Cu–NPs: 88.6% FE/5100 µg h −1 cm −2 ). Operando analysis reveals mechanistic divergence: Single‐atomic Cu–N 4 sites preferentially adsorb * COO⁻ to impede hydrogen evolution reaction (HER), while Cu–NPs leverage * CO intermediates to accelerate * NO 2 hydrogenation. This atomic‐level understanding of chemisorption‐driven site regulation establishes a generalizable design principle for decoupling activity and selectivity constraints, advancing sustainable nitrogen electrochemistry.
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