Plasmon-Assisted Ammonia Electrosynthesis

电催化剂 化学 等离子体子 光热治疗 电化学 电合成 氨生产 纳米技术 无机化学 电极 光电子学 材料科学 有机化学 物理化学
作者
Enrique Contreras,Rachel Nixon,Chloe A. Litts,Wenxin Zhang,Francis M. Alcorn,Prashant K. Jain
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (24): 10743-10751 被引量:70
标识
DOI:10.1021/jacs.2c01272
摘要

Ammonia is a promising liquid-phase carrier for the storage, transport, and deployment of carbon-free energy. However, the realization of an ammonia economy is predicated on the availability of green methods for the production of ammonia powered by electricity from renewable sources or by solar energy. Here, we demonstrate the synthesis of ammonium from nitrate powered by a synergistic combination of electricity and light. We use an electrocatalyst composed of gold nanoparticles, which have dual attributes of electrochemical nitrate reduction activity and visible-light-harvesting ability due to their localized surface plasmon resonances. Plasmonic excitation of the electrocatalyst induces ammonium synthesis with up to a 15× boost in activity relative to conventional electrocatalysis. We devise a strategy to account for the effect of photothermal heating of the electrode surface, which allows the observed enhancement to be attributed to non-thermal effects such as energetic carriers and charged interfaces induced by plasmonic excitation. The synergy between electrochemical activation and plasmonic activation is the most optimal at a potential close to the onset of nitrate reduction. Plasmon-assisted electrochemistry presents an opportunity for conventional limits of electrocatalytic conversion to be surpassed due to non-equilibrium conditions generated by plasmonic excitation.
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