Unraveling the Activity Trends and Design Principles of Single-Atom Catalysts for Nitrate Electrocatalytic Reduction

还原(数学) 催化作用 硝酸盐 电催化剂 Atom(片上系统) 材料科学 无机化学 化学 纳米技术 组合化学 物理化学 电化学 计算机科学 电极 有机化学 数学 嵌入式系统 几何学
作者
Haibo Yin,Dong Feng,Haiwei Su,Zechao Zhuang,Yunlong Wang,Dingsheng Wang,Yue Peng,Junhua Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (24): 25614-25624 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c10058
摘要

Electrocatalytic nitrate (NO3–) reduction represents one of the most promising approaches to mitigate NO3– pollution and yield NH3, but it is still challenged by the atomic economy and selectivity issues of substantial active sites. Here, we describe a comprehensive investigation on a series of single-atom catalysts (SACs) using nitrogen-doped carbon as substrate (metal/NC). The essence of activity is related to the extent of the electron transfer capacity (SAs → NO3–). Among these examined SACs, the Cu/NC presents good performance toward NH3 synthesis, i.e., a maximum NH3 Faradaic efficiency of 100% with a high NH3 yield rate of up to 32,300 μg h–1 mgcat.–1. X-ray absorption fine structure spectra and density functional theory calculations provide evidence that the electronic structure of Cu–N4 coordination prohibits the formation of N2, N2O, and H2 and facilitates the orbital hybridization between the 2p orbitals of NO3– and 3d orbitals of Cu single-atom sites. Our study is believed to provide fundamental guidance for the future design of highly efficient electrocatalysts in NO3– reduction to NH3.
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