Direct Synthesis of Ammonia from Nitrate on Amorphous Graphene with Near 100% Efficiency

石墨烯 材料科学 催化作用 硝酸盐 无定形固体 化学工程 电解 傅里叶变换红外光谱 氨生产 无机化学 纳米技术 电极 化学 有机化学 电解质 物理化学 工程类
作者
Libei Huang,Le Cheng,Tinghao Ma,Jun‐Jie Zhang,Haikun Wu,Jianjun Su,Yun Mi Song,He Zhu,Qi Liu,Minghui Zhu,Zhiyuan Zeng,Qiyuan He,Man‐Kit Tse,Deng‐Tao Yang,Boris I. Yakobson,Ben Zhong Tang,Yang Ren,Ruquan Ye
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (24) 被引量:86
标识
DOI:10.1002/adma.202211856
摘要

Ammonia is an indispensable commodity in the agricultural and pharmaceutical industries. Direct nitrate-to-ammonia electroreduction is a decentralized route yet challenged by competing side reactions. Most catalysts are metal-based, and metal-free catalysts with high nitrate-to-ammonia conversion activity are rarely reported. Herein, it is shown that amorphous graphene synthesized by laser induction and comprising strained and disordered pentagons, hexagons, and heptagons can electrocatalyze the eight-electron reduction of NO3- to NH3 with a Faradaic efficiency of ≈100% and an ammonia production rate of 2859 µg cm-2 h-1 at -0.93 V versus reversible hydrogen electrode. X-ray pair-distribution function analysis and electron microscopy reveal the unique molecular features of amorphous graphene that facilitate NO3- reduction. In situ Fourier transform infrared spectroscopy and theoretical calculations establish the critical role of these features in stabilizing the reaction intermediates via structural relaxation. The enhanced catalytic activity enables the implementation of flow electrolysis for the on-demand synthesis and release of ammonia with >70% selectivity, resulting in significantly increased yields and survival rates when applied to plant cultivation. The results of this study show significant promise for remediating nitrate-polluted water and completing the NOx cycle.
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