Boosting Electrocatalytic Nitrate‐to‐Ammonia via Tuning of N‐Intermediate Adsorption on a Zn−Cu Catalyst

催化作用 吸附 法拉第效率 无机化学 掺杂剂 化学工程 化学 材料科学 电化学 兴奋剂 电极 物理化学 有机化学 光电子学 工程类
作者
Limin Wu,Jiaqi Feng,Li‐Bing Zhang,Shunhan Jia,Xinning Song,Qinggong Zhu,Xinchen Kang,Xueqing Xing,Xiaofu Sun,Buxing Han
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (43): e202307952-e202307952 被引量:214
标识
DOI:10.1002/anie.202307952
摘要

The renewable-energy-powered electroreduction of nitrate (NO3 - ) to ammonia (NH3 ) has garnered significant interest as an eco-friendly and promising substitute for the Haber-Bosch process. However, the sluggish kinetics hinders its application at a large scale. Herein, we first calculated the N-containing species (*NO3 and *NO2 ) binding energy and the free energy of the hydrogen evolution reaction over Cu with different metal dopants, and it was shown that Zn was a promising candidate. Based on the theoretical study, we designed and synthesized Zn-doped Cu nanosheets, and the as-prepared catalysts demonstrated excellent performance in NO3 - -to-NH3 . The maximum Faradaic efficiency (FE) of NH3 could reach 98.4 % with an outstanding yield rate of 5.8 mol g-1 h-1 , which is among the best results up to date. The catalyst also had excellent cycling stability. Meanwhile, it also presented a FE exceeding 90 % across a wide potential range and NO3 - concentration range. Detailed experimental and theoretical studies revealed that the Zn doping could modulate intermediates adsorption strength, enhance NO2 - conversion, change the *NO adsorption configuration to a bridge adsorption, and decrease the energy barrier, leading to the excellent catalytic performance for NO3 - -to-NH3 .
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