Potential-Driven Restructuring of Cu Single Atoms to Nanoparticles for Boosting the Electrochemical Reduction of Nitrate to Ammonia

化学 氨生产 电催化剂 催化作用 法拉第效率 电化学 纳米颗粒 电解 无机化学 硝酸盐 化学工程 电极 物理化学 有机化学 工程类 电解质
作者
Ji Yang,Haifeng Qi,Anqi Li,Xiaoyan Liu,Xiaofeng Yang,Shengxin Zhang,Qiao Zhao,Qike Jiang,Yang Su,Leilei Zhang,Jianfeng Li,Zhong‐Qun Tian,Wei Liu,Aiqin Wang,Tao Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (27): 12062-12071 被引量:397
标识
DOI:10.1021/jacs.2c02262
摘要

Restructuring is ubiquitous in thermocatalysis and of pivotal importance to identify the real active site, yet it is less explored in electrocatalysis. Herein, by using operando X-ray absorption spectroscopy in conjunction with advanced electron microscopy, we reveal the restructuring of the as-synthesized Cu-N4 single-atom site to the nanoparticles of ∼5 nm during the electrochemical reduction of nitrate to ammonia, a green ammonia production route upon combined with the plasma-assisted oxidation of nitrogen. The reduction of Cu2+ to Cu+ and Cu0 and the subsequent aggregation of Cu0 single atoms is found to occur concurrently with the enhancement of the NH3 production rate, both of them are driven by the applied potential switching from 0.00 to -1.00 V versus RHE. The maximum production rate of ammonia reaches 4.5 mg cm-2 h-1 (12.5 molNH3 gCu-1 h-1) with a Faradaic efficiency of 84.7% at -1.00 V versus RHE, outperforming most of the other Cu catalysts reported previously. After electrolysis, the aggregated Cu nanoparticles are reversibly disintegrated into single atoms and then restored to the Cu-N4 structure upon being exposed to an ambient atmosphere, which masks the potential-induced restructuring during the reaction. The synchronous changes of the Cu0 percentage and the ammonia Faradaic efficiency with the applied potential suggests that the Cu nanoparticles are the genuine active sites for nitrate reduction to ammonia, which is corroborated with both the post-deposited Cu NP catalyst and density functional theory calculations.
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