Filling Mesopores of Conductive Metal–Organic Frameworks with Cu Clusters for Selective Nitrate Reduction to Ammonia

材料科学 介孔材料 电解质 硝酸盐 化学工程 金属 复合数 无机化学 亚硝酸盐 金属有机骨架 选择性 电极 催化作用 化学 复合材料 有机化学 冶金 吸附 物理化学 工程类
作者
Xiaojuan Zhu,Hai-Cai Huang,Huaifang Zhang,Yu Zhang,Peidong Shi,Kaiyu Qu,Shi‐Bo Cheng,An‐Liang Wang,Qipeng Lu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (28): 32176-32182 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acsami.2c09241
摘要

The electrocatalytic nitrate reduction reaction (NO3-RR) to ammonia (NH3) under ambient conditions not only has the benefit of lowering energy consumption, but also helps remove nitrate contamination. Inspired by the unique structure of nitrate/nitrite reductase with the active spheroproteins encapsulated by larger enzymes, herein, we develop an in situ synthetic strategy for the construction of metal cluster-conductive metal-organic framework (MOF) composite electrocatalysts. The metallic Cu clusters are filled into the mesopores of a conductive copper-based MOF (i.e., CuHHTP); meanwhile, CuHHTP with a porous structure provides an internal environment to limit the growth of metallic Cu clusters with an ultrasmall size (i.e., 1.5 ± 0.2 nm) and restrains their aggregation. The obtained Cu@CuHHTP exhibits superb performance for NO3-RR. In a neutral electrolyte with 500 ppm NO3-, Cu@CuHHTP shows a high NO3- conversion of 85.81% and a selectivity for NH3 of 96.84%. 15N isotope labeling experiments confirm that the formation of NH3 originates from the process of NO3-RR. Theoretical calculations confirm that Cu clusters are the active sites in the composite electrocatalysts, in which the proper d-band center and the "accept-donate" mechanism in charge transfer are the key factors for the improvement of the electrocatalytic performance.
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