Ti3+ redox dynamics enabling efficient nitrate reduction to ammonia on Ti2O3

氧化还原 电化学 氨生产 法拉第效率 催化作用 化学 价(化学) 硝酸盐 无机化学 密度泛函理论 化学工程 光化学 电极 物理化学 计算化学 有机化学 工程类
作者
Ying Chen,Chengli Yang,Haobo Li,Ziyu Ma,Donghai Wu,Yongchao Yao,Xiangchun Shen,Dongwei Ma
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:481: 148857-148857 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.148857
摘要

The electrochemical nitrate reduction reaction (NO3−RR) demonstrates significant promise as a sustainable pathway for ammonia (NH3) synthesis and regulating the Earth's nitrogen cycle. However, its advancement is currently hindered by low catalytic activity, particularly limited by the sluggish rate-determining step of NO2− formation. Herein, we capitalize on the highly active and versatile redox properties of Ti3+ in Ti2O3, exploiting its spontaneous reduction of NO3− to NO2− to overcome the sluggish rate-determining step. Subsequently, the electrochemical reduction process continuously reduces the generated high valence titanium species back to Ti3+, creating a redox closed loop, and enabling the continuous NH3 synthesis. The catalyst achieves an outstanding NH3 production rate of 19.04 mg h−1 mgcat.–1 with a Faradaic efficiency of 97.8 %. Using in-situ electrochemical electron paramagnetic resonance technology, we explored dynamic changes of Ti3+ in Ti2O3 during the process, while in-situ electrochemical infrared spectroscopy provided insights into intermediates' evolution. Density functional theory calculations confirmed Ti2O3′s highly active NO3−RR.

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