Gelatin‐Induced Synthesis of Strain‐Engineered Spherical Cu2O Nanoparticles for Efficient Nitrate Reduction to Ammonia

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作者
Ji Li,Kai Wu,Jing Heng,Lidan Zhu,Xuechuan Wang,Qingxin Han,Taotao Qiang
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202411005
摘要

Abstract The electrochemical reduction of nitrate to ammonia offers an environmentally sustainable pathway for nitrogen fixation. However, achieving both efficiency and selectivity in nitrate reduction presents a formidable challenge, due to the involvement of sluggish multielectron transfer processes. Herein, the successful synthesis of spherical Cu₂O nanoparticles (s‐Cu₂O) exhibiting significant compressive strain effects, achieved through a one‐pot method using gelatin as a structural modifier, is reported. The s‐Cu₂O catalyst demonstrates exceptional electrochemical performance for nitrate reduction reaction (NO 3 RR), achieving a Faradaic efficiency (FE NH3 ) of 95.07%, ammonia selectivity of 92.03%, a nitrate conversion rate of 97.77%, and a yield rate of 284.83 µmol h⁻¹ cm⁻ 2 at −0.8 V versus reversible hydrogen electrode (vs. RHE) for ammonia production. Structural characterization and density functional theory calculations reveal that compressive strain plays a critical role in modulating the electronic structure of the catalyst, thereby activating the *NO intermediate in the potential determining step and effectively suppressing the hydrogen evolution reaction. Furthermore, it is implemented in a Zn‐NO 3 − battery, and the test results indicate that the battery achieved a peak power density of 3.95 mW cm −2 at a potential of 0.129 V (vs Zn/Zn 2 ⁺), illustrating its excellent electrochemical and functional efficacy. This work introduces a novel strategy for the rational design of high‐performance electrocatalysts through strain engineering, offering broad implications for energy‐efficient ammonia synthesis, and sustainable nitrogen cycling.

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