Enhanced electrocatalytic nitrate reduction to ammonia on cobalt oxide nanosheets via multiscale defect modulation

硝酸盐 氧化钴 电催化剂 催化作用 无机化学 析氧 材料科学 分解水 氨生产 化学工程 化学 电极 电化学 有机化学 工程类 生物化学 光催化 物理化学
作者
Fenglin Zhao,Guangtong Hai,Xin Li,Jiang Zhou-yan,Haihui Wang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:461: 141960-141960 被引量:42
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.141960
摘要

The traditional Haber-Bosch process synthesizes ammonia subjecting to harsh process conditions and high energy consumption, and the nitrate pollution is a common environmental issue due to the excessive use of fertilizers. A sustainable and moderate nitrate electrocatalytic reduction to ammonia (NO3RR) was employed to achieve N-cycle, turning waste into treasure. Pre-density functional theory calculations forecast that Co3O4 will display optimal NO3RR performance among all the spinel cobalt-based catalysts. In this work, Co3O4/Co with unique interlaced nanosheets was fabricated through electrodeposition and calcination. Benefitting from the open-pore, defective nanosheet structure and modulated oxygen vacancy, the Co3O4/Co catalyst can accumulate more nitrate on activated sites and display excellent NO3RR properties in the neutral electrolyte (ammonia yield rate: 4.43 mg h−1 cm−2, Faradaic efficiency: 88.7 %). Theoretical calculations reveal that oxygen vacancy could enhance nitrate adsorption energy, suppress hydrogen evolution reaction, and weaken the rate-determining step of *NO → *HNO. Furthermore, the continuous NO3RR flow electrolyzer has been customized with Co3O4/Co electrocatalyst and it highly enlarges ammonia yield over one day, which could accelerate the NO3RR to commercial application.
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