Pd Clusters Loaded with Multivalent Cu Foam for Superior Electrochemical Nitrate Reduction and Selective N≡N Bond Formation

法拉第效率 电化学 电催化剂 阴极 密度泛函理论 催化作用 化学 亚硝酸盐 选择性还原 无机化学 硝酸盐 电极 物理化学 计算化学 有机化学
作者
Weiqi Gao,Jie Sun,Guohua Zhao
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (22) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/smll.202310597
摘要

Abstract The electrochemical denitrification of nitrate (NO 3 − ) in actual wastewater to nitrogen (N 2 ) is an effective approach to reversing the current imbalance of the nitrogen cycle and the eutrophication of water. However, electrostatic repulsion between NO 3 − and the cathode results in the low efficiency of NO 3 − reduction reaction (NO 3 RR). Here, density functional theory (DFT) calculations are used as a theoretical guide to design a Pd cluster‐loaded multivalent Cu foam (Pd/Cu 2 O‐CF) electrocatalyst, which achieves a splendid 97.8% NO 3 − removal rate, 97.9% N 2 selectivity, 695.5 mg N g −1 Pd h −1 reduction efficiency, and 60.0% Faradaic efficiency at −1.3 V versus SCE. The projected density of states (pDOS) indicates that NO 3 − and Pd/Cu 2 O‐CF are bonded via strong complexation between the O 2p (in NO 3 − ) and Cu 3d (in Cu 2 O) with the input of voltage, which reduces the electrostatic repulsion and enhances the enrichment of NO 3 − on the cathode. In‐situ characterizations demonstrate that Pd[H] can reduce Cu 2 O to Cu, and subsequently Cu reduces NO 3 − to nitrite (NO 2 − ) accompanied by in situ reconfiguration of multivalent Cu foam. NO 2 − is then transferred to the surface of Pd clusters by the cascade catalysis and accelerates the breaking of N─O bonds to form Pd─N, and eventually achieves the N≡N bond formation.
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