CO2 Laser‐Stabilized Ni‐Co Dual Single‐Atomic Sites for Energy Generation and Ammonia Harvesting

材料科学 质子化 催化作用 氨生产 过渡金属 电化学 氢氧化物 拉曼光谱 Atom(片上系统) 金属 无机化学 离子 光学 物理化学 电极 嵌入式系统 冶金 计算机科学 有机化学 物理 化学
作者
Juhyeon Park,Jayaraman Theerthagiri,Nuttapon Yodsin,Wanwisa Limphirat,Piyapa Junmon,Myong Yong Choi
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (30): e2506137-e2506137 被引量:28
标识
DOI:10.1002/adma.202506137
摘要

Abstract Dual single‐atom catalysts (DSACs) hold immense potential in electrochemical nitrate (NO 3 − ) reduction (EcNR) as a sustainable replacement to the Haber–Bosch process for the production of ammonia (NH 3 ). However, challenges such as synthesis complexity, low purity, scalability, and stability have hindered their practical application. Herein, a rapid and scalable method is introduced to stabilize low‐cost 3 d transition metals (Ni and Co) as DSACs on Ti 3 C 2 T x MXene in 10 min using continuous‐wave CO 2 ‐laser irradiation. Ni 2+ and Co 2+ ions are chelated and stabilized as single atoms onto an L‐tryptophan‐modified Ti 3 C 2 T x surface via metal─O and metal─N bonds, forming Ni‐single atom catalyst (SAC)/MXene, Co‐SAC/MXene, and NiCo‐DSAC/MXene. This approach enhances MXene properties, enabling the synthesis of efficient atomic‐level electrocatalysts. Potential‐resolved in situ Raman spectroelectrochemistry and density functional theory reveal that EcNR proceeds through NO 3 − reduction to * NO 2 , * NO, * NH, and * NH 2 intermediates, ultimately forming NH 3 via final protonation step. This process exhibits a low limiting potential of −0.37 V, with * NO 2 protonation identified as the critical step. NiCo‐DSAC/MXene exhibited superior EcNR performance for NH 3 production in 1.0 M potassium hydroxide with sustained multiple cyclic stability. Furthermore, this catalyst is integrated into a Zn–NO 3 − a battery that simultaneously removes NO 3 − , generates energy, and synthesizes NH 3 .
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