A Copper–Zinc Cyanamide Solid-Solution Catalyst with Tailored Surface Electrostatic Potentials Promotes Asymmetric N-Intermediate Adsorption in Nitrite Electroreduction

化学 催化作用 吸附 电催化剂 无机化学 电化学 法拉第效率 选择性 亚硝酸盐 选择性催化还原 物理化学 电极 有机化学 硝酸盐
作者
Jiacheng Jayden Wang,Huong Thi Bui,Xunlu Wang,Zhuoran Lv,Huashuai Hu,Shuyi Kong,Zhiqiang Wang,Lijia Liu,Wei Chen,Hui Bi,Minghui Yang,Tore Brinck,Jiacheng Wang,Fuqiang Huang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00837
摘要

The electrocatalytic nitrite reduction (NO2RR) converts nitrogen-containing pollutants to high-value ammonia (NH3) under ambient conditions. However, its multiple intermediates and multielectron coupled proton transfer process lead to low activity and NH3 selectivity for the existing electrocatalysts. Herein, we synthesize a solid-solution copper–zinc cyanamide (Cu0.8Zn0.2NCN) with localized structure distortion and tailored surface electrostatic potential, allowing for the asymmetric binding of NO2–. It exhibits outstanding NO2RR performance with a Faradaic efficiency of ∼100% and an NH3 yield of 22 mg h–1 cm–2, among the best for such a process. Theoretical calculations and in situ spectroscopic measurements demonstrate that Cu–Zn sites coordinated with linear polarized [NCN]2– could transform symmetric [Cu–O–N–O–Cu] in CuNCN-NO2– to a [Cu–N–O–Zn] asymmetric configuration in Cu0.8Zn0.2NCN-NO2–, thus enhancing adsorption and bond cleavage. A paired electro-refinery with the Cu0.8Zn0.2NCN cathode reaches 2000 mA cm–2 at 2.36 V and remains fully operational at industrial-level 400 mA cm–2 for >140 h with a NH3 production rate of ∼30 mgNH3 h–1 cm–2. Our work opens a new avenue of tailoring surface electrostatic potentials using a solid-solution strategy for advanced electrocatalysis.
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