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Integrated Three-in-one to Boost Nitrate Electroreduction to Ammonia Utilizing a 1D Mesoporous Carbon Cascade Nanoreactor

纳米反应器 硝酸盐 碳纤维 级联 介孔材料 材料科学 纳米技术 无机化学 化学工程 化学 催化作用 有机化学 复合数 纳米颗粒 工程类 复合材料
作者
Minghao Li,Chunhong Qi,Jingsan Xu,Rujia Zou,Lianjun Wang,Wan Jiang,Yuchi Fan,Pengpeng Qiu,Wei Luo
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c00187
摘要

The electrochemical reduction of nitrate (NO3-) offers a promising waste-to-value strategy for synthesizing ammonia (NH3), yet it involves a complex multi-interface system with several stages such as mass transport, species enrichment, and interfacial transformation. This complexity necessitates catalysts with diverse structural characteristics across multiple temporal and spatial scales. Herein, a three-in-one nanoreactor system is designed with 1D geometry, open mesochannels, and synergistic active sites for optimized NH3 synthesis. Guided by finite element simulations, a 1D mesoporous carbon carrier is engineered to create a distinctive microenvironment that enhances NO3- transfer and adsorption while confining reaction intermediates. Meanwhile, iron single atomic sites (Fe-N4 SAs) and iron nanoclusters (Fe4 NCs) are embedded in situ into the carbon carrier, yielding an efficient cascade nanoreactor. This design demonstrates large Faraday efficiencies, rapid NO3- removal rates, and impressive NH3 yield rates under both neutral and alkaline conditions. Detailed in situ experimental results and theoretical analysis reveal that Fe-N4 SAs and Fe4 NCs can adapt their electronic structures in tandem, allowing the Fe-N4 SAs to effectively reduce NO3- and Fe4 NCs to oxidize H2O. As a demonstration, the assembled Zn-NO3- battery achieves a power density of 20.12 mW cm-2 coupled with excellent rechargeability.

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