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Modulating the Surface Concentration and Lifetime of Active Hydrogen in Cu-Based Layered Double Hydroxides for Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia

层状双氢氧化物 硝酸盐 无机化学 法拉第效率 催化作用 氨生产 产量(工程) 电催化剂 化学 材料科学 化学工程 电化学 电极 冶金 有机化学 物理化学 工程类
作者
Hongmei Li,S Li,Renjun Guan,Zhaoyu Jin,Dan Xiao,Yong Guo,Panpan Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (16): 12042-12050 被引量:86
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c03245
摘要

Strategies incorporating heterometals to introduce surface-active hydrogen (*H) have been extensively utilized to enhance the electrocatalytic activity of Cu-based catalysts in the nitrate reduction reaction (NitRR). However, a comprehensive understanding of *H behavior and its specific impact on regulating the NitRR pathway remains elusive, particularly in a quantitative manner. In this study, we prepared a group of layered double hydroxides (LDHs) as model catalysts with diverse *H concentrations and lifetimes. Our findings reveal that the NitRR activity of Cu-based LDHs is highly dependent on the *H species that could be modulated by the incorporated heterometallic sites. Specifically, we conducted in situ analysis of different Cu-based LDH catalysts using time-resolved scanning electrochemical microscopy. The surface concentration and lifetime of *H at various applied potentials were quantified, enabling us to establish the relationship between the *H behavior and NitRR performance. Therefore, optimal NitRR performance was achieved with CuNi-LDHs, exhibiting a faradaic efficiency of 94.6% and yield rate of 2.7 mg h–1 cm–2 because of its appropriate *H surface concentration and lifetime. Additionally, we observe a trend of CuNi > CuCo > Cu > CuRu > CuFe > CuMg in terms of the faradaic efficiency for NH3 production. These results suggest that by effectively utilizing the stable *H produced by the catalyst, one would allow favorable NitRR performance, offering a promising strategy for other electrocatalytic hydrogenation reactions.
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