Ammonia electrosynthesis from nitrate using a stable amorphous/crystalline dual-phase Cu catalyst

电合成 催化作用 氨生产 硝酸盐 相(物质) 对偶(语法数字) 无定形固体 材料科学 无机化学 化学 化学工程 电化学 有机化学 物理化学 电极 艺术 文学类 工程类
作者
Yi Wang,Shuo Wang,Yunfan Fu,Jiaqi Sang,Pengfei Wei,Rongtan Li,Dunfeng Gao,Guoxiong Wang,Xinhe Bao
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:16 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-025-55889-9
摘要

Renewable energy-driven electrocatalytic nitrate reduction reaction presents a low-carbon and sustainable route for ammonia synthesis under mild conditions. Yet, the practical application of this process is currently hindered by unsatisfactory electrocatalytic activity and long-term stability. Herein we achieve high-rate ammonia electrosynthesis using a stable amorphous/crystalline dual-phase Cu catalyst. The ammonia partial current density and formation rate reach 3.33 ± 0.005 A cm−2 and 15.5 ± 0.02 mmol h−1 cm−2 at a low cell voltage of 2.6 ± 0.01 V, respectively. Remarkably, the dual-phase Cu catalyst can maintain stable ammonia production with a Faradaic efficiency of around 90% at a high current density of 1.5 A cm−2 for up to 300 h. A scale-up demonstration with an electrode size of 100 cm2 achieves an ammonia formation rate as high as 11.9 ± 0.5 g h−1 at a total current of 160 A. The impressive electrocatalytic performance is ascribed to the presence of stable amorphous Cu domains which promote the adsorption and hydrogenation of nitrogen-containing intermediates, thus improving reaction kinetics for ammonia formation. This work underscores the importance of stabilizing metastable amorphous structures for improving electrocatalytic reactivity and long-term stability. The authors develop an efficient and stable amorphous/crystalline dual-phase Cu catalyst towards electrocatalytic nitrate reduction reaction, with an ammonia Faradaic efficiency of around 90% at a high current density of 1.5 A cm−2 for up to 300 h.

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