Multi‐site CuZn alloy boosts nitrate reduction to ammonia via optimized intermediate adsorption

催化作用 吸附 硝酸盐 密度泛函理论 金属间化合物 质子化 化学 合金 无机化学 选择性催化还原 反应中间体 氨生产 材料科学 化学工程 光化学 计算化学 物理化学 有机化学 工程类 离子
作者
Qing Jiang,Jianhui Yi,Zi Wen
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
标识
DOI:10.1002/chem.202500965
摘要

Electrocatalytic nitrate reduction reaction (NO3RR) is an effective way to solve nitrate pollution and a promising strategy for ammonia (NH3) synthesis under the ambient temperature and pressure. However, NO3RR is still hindered by the lack of efficient catalysts and an understanding of mechanisms that enhance the catalytic performance. Herein, we propose intermetallic alloying as a promising strategy to optimize NO3RR reaction pathway by tuning the adsorption energies and configurations of intermediates, as demonstrated by density functional theory (DFT) calculations comparing NO3RR performance of Cu (111) and CuZn (110) surfaces. In CuZn alloy, the electron‐donating property of Cu weakens the adsorption of NOx (x = 1, 2, and 3) intermediates, while the electron‐accepting property of Zn strengthens the binding of NOxH intermediates, thus lowering the protonation reaction energy. Zn sites preferentially promote the removal of O species, while Cu sites dominate the protonation of N species. This synergistic effect enables CuZn (110) surface to successfully break the undesirable scaling relationship in traditional metal catalysts, resulting in excellent catalytic activity for NO3RR, with an ultra‐low limiting potential of −0.28 V. This work provides valuable insights and theoretical guidance for NO3RR.
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