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Microscopic-Level Insights into the Mechanism of Enhanced NH3 Synthesis in Plasma-Enabled Cascade N2 Oxidation–Electroreduction System

化学 电合成 氮氧化物 纳米颗粒 无机化学 电化学 化学工程 有机化学 物理化学 燃烧 电极 工程类
作者
Yongwen Ren,Chang Yu,Linshan Wang,Xinyi Tan,Zhao Wang,Qianbing Wei,Yafang Zhang,Jieshan Qiu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (23): 10193-10200 被引量:186
标识
DOI:10.1021/jacs.2c00089
摘要

Integrated/cascade plasma-enabled N2 oxidation and electrocatalytic NOx- (where x = 2, 3) reduction reaction (pNOR-eNOx-RR) holds great promise for the renewable synthesis of ammonia (NH3). However, the corresponding activated effects and process of plasma toward N2 and O2 molecules and the mechanism of eNOx-RR to NH3 are unclear and need to be further uncovered, which largely limits the large-scale deployment of this process integration technology. Herein, we systematically investigate the plasma-enabled activation and recombination processes of N2 and O2 molecules, and more meaningfully, the mechanism of eNOx-RR at a microscopic level is also decoupled using copper (Cu) nanoparticles as a representative electrocatalyst. The concentration of produced NOx in the pNOR system is confirmed as a function of the length for spark discharge as well as the volumetric ratio for N2 and O2 feeding gas. The successive protonation process of NOx- and the key N-containing intermediates (e.g., -NH2) of eNOx-RR are detected with in situ infrared spectroscopy. Besides, in situ Raman spectroscopy further reveals the dynamic reconstruction process of Cu nanoparticles during the eNOx-RR process. The Cu nanoparticle-driven pNOR-eNOx-RR system can finally achieve a high NH3 yield rate of ∼40 nmol s-1 cm-2 and Faradaic efficiency of nearly 90%, overperforming the benchmarks reported in the literature. It is anticipated that this work will stimulate the practical development of the pNOR-eNOx-RR system for the green electrosynthesis of NH3 directly from air and water under ambient conditions.
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