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Designing Efficient Nitrate Reduction Electrocatalysts by Identifying and Optimizing Active Sites of Co-Based Spinels

化学 还原(数学) 硝酸盐 无机化学 组合化学 几何学 有机化学 数学
作者
Qi Hu,Shuai Qi,Qihua Huo,Yuxin Zhao,Jianju Sun,Xinbao Chen,Miaoyuan Lv,Weiliang Zhou,Chao Feng,Xiaoyan Chai,Hengpan Yang,Chuanxin He
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (5): 2967-2976 被引量:182
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06904
摘要

Cobalt-based spinel oxides (i.e., Co3O4) are emerging as low-cost and selective electrocatalysts for the electrochemical nitrate reduction reaction (NO3-RR) to ammonia (NH3), although their activity is still unsatisfactory and the genuine active site is unclear. Here, we discover that the NO3-RR activity of Co3O4 is highly dependent on the geometric location of the Co site, and the NO3-RR prefers to occur at octahedral Co (CoOh) rather than tetrahedral Co (CoTd) sites. Moreover, CoOhO6 is electrochemically transformed to CoOhO5 along with the formation of O vacancies (Ov) during the process of NO3-RR. Both experimental and theoretic results reveal that in situ generated CoOhO5-Ov configuration is the genuine active site for the NO3-RR. To further enhance the activity of CoOh sites, we replace inert CoTd with different contents of Cu2+ cations, and a volcano-shape correlation between NO3-RR activity and electronic structures of CoOh is observed. Impressively, in 1.0 M KOH, (Cu0.6Co0.4)Co2O4 with optimized CoOh sites achieves a maximum NH3 Faradaic efficiency of 96.5% with an ultrahigh NH3 rate of 1.09 mmol h-1 cm-2 at -0.45 V vs reversible hydrogen electrode, outperforming most of other reported nonprecious metal-based electrocatalysts. Clearly, this work paves new pathways for boosting the NO3-RR activity of Co-based spinels by tuning local electronic structures of CoOh sites.
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