Isolated Rhodium Atoms Activate Porous TiO2 for Enhanced Electrocatalytic Conversion of Nitrate to Ammonia

催化作用 电催化剂 电化学 法拉第效率 氨生产 无机化学 吸附 化学 电解质 材料科学 选择性 化学工程 物理化学 电极 有机化学 工程类
作者
Zhi Liang Zhao,Shaoxuan Yang,Shensong Wang,Zhe Zhang,Liang Zhao,Qi Wang,Xinyi Zhang
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:12 (2) 被引量:2
标识
DOI:10.1002/advs.202411705
摘要

Abstract The direct electrochemical reduction of nitrate to ammonia is an efficient and environmentally friendly technology, however, developing electrocatalysts with high activity and selectivity remains a great challenge. Single‐atom catalysts demonstrate unique properties and exceptional performance across a range of catalytic reactions, especially those that encompass multi‐step processes. Herein, a straightforward and cost‐effective approach is introduced for synthesizing single‐atom dispersed Rh on porous TiO 2 spheres (Rh 1 ‐TiO 2 ), which functions as an efficient electrocatalyst for the electroreduction of NO 3 − to NH 3 . The synthesized Rh 1 ‐TiO 2 catalyst achieve a maximum NH 3 Faradaic efficiency (FE) of 94.7% and an NH 3 yield rate of 29.98 mg h −1 mg cat −1 at −0.5 V versus RHE in a 0.1 M KOH+0.1 M KNO 3 electrolyte, significantly outperforming not only undoped TiO 2 but also Ru, Pd, and Ir single‐atom doped titania catalysts. Density functional theory calculations reveal that the incorporation of Rh single atom significantly enhances charge transfer between adsorbed NO 3 − and the active site. The Rh atoms not only serve as the highly active site for electrochemical nitrate reduction reaction (NO 3 RR), but also activates the adjacent Ti sites through optimizating the electronic structure, thereby reducing the energy barrier of the rate‐limiting step. Consequently, this results in a substantial enhancement in electrochemical NO 3 RR performance. Furthermore, this synthetic method has the potential to be extended to other single‐atom catalysts and scaled up for commercial applications.
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