多相边界的界面电荷重新分布，实现高效的电催化氨合成和高功率锌-氮化3−邱健蓄电池

通过电化学催化实现硝酸盐的还原，为可持续的氨生产和废水修复提供了一种环保的方法。然而，传统的共基催化剂存在一个主要限制：其硝酸盐（NO₃⁻）吸附能力依然较弱。这一缺点严重限制了它们的催化效率。为克服这一限制，我们通过快速焦耳加热合成了三相界面材料（Cu/Co/CoO@C），并阐明了其性能提升机制。其卓越的催化性能源于相界面诱导的多尺度结构调控。在微观尺度上，通过Cu和Co/CoO之间的界面电荷重新分布实现的电子结构调制显著降低了中间吸附能。铿3d和氧2p轨道耦合产生局部偏振电场，增强一氧化氮₃⁻激活。在宏观尺度上，缺陷丰富的结构促进质量传递并暴露丰富的活性位点。以铜/铵/CoO@C为单位，NH₃可达2.03 mmol h。⁻¹CM⁻²（−0.4 Vs. RHE，法拉达效率（FE）98.4%）。组装后的Zn-NO₃⁻电池最大功率密度为52.09毫瓦厘米⁻²以及一艘NH₃生产速率为297.5微溶米小时⁻¹CM⁻²（FE 95.4%）。基于这些结果，本研究为多相界面设计提供了新的见解。

图形摘要

高功率密度水性锌-氮₃⁻电池是制造出来的。关于多相界面上增强电催化硝酸盐转氨转化的机制性见解包括通过电子调谐优化吸附的界面、Co→O极化增强NO₃⁻激活，以及核心-卫星协同催化。

NH的生产₃对肥料制造、化学合成和制药生产来说相当有意义。此外，近年来其作为碳中和能源载体的潜力也被越来越多地研究[[1]， [2]， [3]， [4]， [5]]。最近，电化学硝酸盐还原为氨（NO₃RR）获得了显著的研究关注。该方法因其环境可持续性和经济可行性的双重优势而突出[[6]， [7]， [8]]。在多种催化剂中，钴基系统在一氧化氮中尤为引人注目₃RR研究。他们对新罕布什尔州的极高选择性₄⁺形成使它们在此过程中尤为重要[9]。然而，它们对NO的吸附力较弱₃⁻限制催化效率[10]。因此，研究人员通过多种策略修改了基于共子的催化剂，如掺杂[11,12]、形态工程[[13]、[14]、[15]]、修饰[[16]、[17]、[18]]、合金化[[19]、[20]、[21]]以及异界面构造[22,23]。特别是，电催化剂的界面可以通过不同组分之间的协同效应显著促进反应活性和选择性[24,25]。通过调整表面活性位点的电子结构，自发电子转移在降低反应屏障方面发挥着有趣的作用[26,27]。此外，它增强了界面电荷转移动力学，从而显著提升催化活性[28,29]。
尽管取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。（i）大多数研究聚焦于单相和双相界面 [[30]， [31]， [32]]。三相或多相接口能否展现出更优的性能？（ii）不同的界面结构在催化反应中可能表现出不同的功能性质，但其具体作用尚未明确。（iii）界面诱导催化性能调控的微观机制仍不充分。然而，关于多相界面的研究很少被报道。因此，理解多相界面材料提升性能背后的微观机制并充分发挥其催化潜力至关重要。
因此，为应对这些挑战，本研究提出了多阶段界面工程策略。三相（Cu/Co/CoO@C）、双相（Co/CoO@C）和单相（Cu@C）界面材料通过快速焦耳加热合成。通过实验研究了这些材料之间性能差异的起源。操作表征和密度函数理论（DFT）计算结果表明，这种三相界面材料具有以下主要优势。（i） 电子结构调制，催化中心的电子结构通过多相系统中的界面电子相互作用调制，从而优化反应中间体的无吸附能量。与此同时，竞争的副作用被大幅抑制。（ii）p-d轨道耦合，观察到强烈的p-d轨道耦合（Co 3d 和 O 2p），导致显著的轨道杂化。这种相互作用诱导了界面铋→氧电子转移，从而产生局部偏振电场。这种电荷重新分布增强了 NO₃⁻激活并加速后续反应步骤。（iii）核心-卫星协同催化，实验结果表明三相界面材料独特的核心-卫星结构使得协同催化机制得以实现。核心（Cu）和卫星（Co/CoO）活性站点主导了NO₃⁻→ 不₂⁻而且不₂⁻→ 新罕布什尔州₄⁺分别确保了高效的氨生产。我们的深入研究揭示了多相界面材料性能提升背后的微观机制，同时揭示了不同界面的独特功能。与传统的长时间加热方法相比，该技术只需几秒钟即可在1600°C下获得稳定的多相界面材料。 在−0.4伏与可逆氢电极（RHE）相比，氨的产生速率为2.03 mmol h。⁻¹CM⁻²以98.4%的法拉第效率（FE）实现。一节电池（Zn-NO₃⁻）组装并用铜/CoCoO@C进行测试。值得注意的是，该电池展现出卓越的电化学性能，峰值功率密度为52.09毫瓦厘米⁻².一个NH₃生产速率为297.5微溶米小时⁻¹CM⁻²检测结果FE为95.4%。这些发现推动了对多相界面催化剂结构-活性关系的基础理解，同时为高效电催化剂在NH可持续合成中提供了新见解₃.