Unveiling the Dual Role of Oxophilic Cr4+ in Cr‐Cu2O Nanosheet Arrays for Enhanced Nitrate Electroreduction to Ammonia

纳米片 催化作用 电化学 化学 氨生产 法拉第效率 离解(化学) 无机化学 氧化物 光化学 电极 物理化学 生物化学 有机化学
作者
Kai Zhang,Bo Li,Fengchen Guo,Nigel Graham,Wenhui He,Wenzheng Yu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202411796
摘要

Cuprous oxide (Cu2O)‐based catalysts present a promising activity for the electrochemical nitrate (NO3‐) reduction to ammonia (eNO3RA), but the electrochemical instability of Cu+ species may lead to an unsatisfactory durability, hindering the exploration of the structure‐performance relationship. Herein, we propose an efficient strategy to stabilize Cu+ through the incorporation of Cr4+ into the Cu2O matrix to construct a Cr4+‐O‐Cu+ network structure. In situ and quasi‐in situ characterizations reveal that the Cu+ species are well maintained via the strong Cr4+‐O‐Cu+ interaction that inhibits the leaching of lattice oxygen. Importantly, in situ generated Cr3+‐O‐Cu+ from Cr4+‐O‐Cu+ is identified as a dual‐active site for eNO3RA, wherein the Cu+ sites are responsible for the activation of N‐containing intermediates, while the assisting Cr3+ centers serve as the electron‐proton mediators for rapid water dissociation. Theoretical investigations further demonstrated that the metastable state Cr3+‐O‐Cu+ favors the conversion from the endoergic hydrogenation of the key *ON intermediate to an exoergic reaction in an ONH pathway, and facilitates the subsequent NH3 desorption with a low energy barrier. The superior eNO3RA with a maximum 91.6% Faradaic efficiency could also be coupled with anodic sulfion oxidation to achieve concurrent NH3 production and sulfur recovery with reduced energy input.
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