Energy‐Efficient Nitrogen Reduction to Ammonia at Low Overpotential in Aqueous Electrolyte under Ambient Conditions

过电位 化学 法拉第效率 氧化还原 可逆氢电极 氨生产 水溶液 电化学 催化作用 选择性 无机化学 电解质 产量(工程) 电极 材料科学 工作电极 物理化学 有机化学 冶金
作者
Da-Bin Wang,Luis Miguel Azofra,Moussab Harb,Luigi Cavallo,Xinyi Zhang,Bryan H. R. Suryanto,Douglas R. MacFarlane
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:11 (19): 3416-3422 被引量:134
标识
DOI:10.1002/cssc.201801632
摘要

Abstract The electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) under ambient conditions is a promising alternative to the traditional energy‐intensive Haber–Bosch process to produce NH 3 . The challenge is to achieve a sufficient energy efficiency, yield rate, and selectivity to make the process practical. Here, we demonstrate that Ru nanoparticles (NPs) enable NRR in 0.01 m HCl aqueous solution at very high energy efficiency, that is, very low overpotentials. Remarkably, the NRR occurs at a potential close to or even above the H + /H 2 reversible potential, significantly enhancing the NRR selectivity versus the production of H 2 . NH 3 yield rates as high as ≈5.5 mg h −1 m −2 at 20 °C and 21.4 mg h −1 m −2 at 60 °C were achieved at a redox potential ( E ) of − 100 mV versus the reversible hydrogen electrode (RHE), whereas a highest Faradaic efficiency (FE) of ≈5.4 % is achievable at E=+ 10 mV vs. RHE. This work demonstrates the potential use of Ru NPs as an efficient catalyst for NRR at ambient conditions. This ability to catalyze NRR at potentials near or above RHE is imperative in improving the NRR selectivity towards a practical process as well as rendering the H 2 viable as byproduct. Density functional theory calculations of the mechanism suggest that the efficient NRR process occurring on these predominantly Ru (0 0 1) surfaces is catalyzed by a dissociative mechanism.
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