TiO2 Anchored Cu Single Atoms Catalysts Boost Nitrite Electroreduction to Ammonia for Water Remediation

材料科学 催化作用 环境修复 亚硝酸盐 无机化学 氨生产 分解水 污染 硝酸盐 有机化学 光催化 化学 生态学 生物
作者
Mingming Sun,Wenrui Wan,Xiaoli Zhao,Chunfeng Shao,Ning Liu,Maohong Fan,Jianji Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202500553
摘要

Abstract The electrochemical conversion of harmful pollutant nitrite (NO 2 − ) in wastewater to NH 3 is an effective strategy for water remediation and production of value‐added chemicals. However, achieving high NH 3 yield and selectivity is challenging due to the low catalyst activity and competitive H 2 and N 2 H 4 byproducts. Herein, for the first time, Cu single‐atom electrocatalysts on TiO 2 (Cu 1 /TiO 2 ) are designed for nitrite reduction to NH 3 in a neutral aqueous electrolyte. The optimal Cu 1 /TiO 2 exhibits an exceptional NH 3 production rate of 21.2 mg h −1 mg cat −1 and a high NH 3 Faradaic efficiency of 96.0% at −1.0 V (vs RHE), representing one of the best electrocatalytic performance ever achieved. Impressively, the NO 2 − (0.1 mol L −1 ) can be completely conversed in 8 h electrolysis. The experimental studies and theoretical calculations uncover that the single atoms Cu narrows the bandgap of TiO 2 and improves the electron transfer in Cu 1 /TiO 2 , and the single‐atom Cu and TiO 2 synergistically activate NO 2 − , stabilize the *NO intermediate, and reduce the energy barrier of the rate‐determining step (*NH 3 →NH 3 ), thus resulting in remarkable electrocatalytic activity and selectivity for the reduction of nitrite to NH 3 . This study provides a new strategy for simultaneous NH 3 production and water remediation at ambient conditions by using single‐atom catalysis.
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