Highly selective electrocatalytic reduction of nitrate to nitrogen in a chloride ion-free system by promoting kinetic mass transfer of intermediate products in a novel Pd–Cu adsorption confined cathode

化学 无机化学 催化作用 阴极 硝酸盐 传质 吸附 选择性 氯化物 离子交换 电子转移 氮气 化学工程 离子 光化学 有机化学 物理化学 色谱法 工程类
作者
Xingchen Bian,Feng Shi,Jingdong Li,Jianxing Liang,Chenyu Bao,Hongbo Zhang,Jinping Jia,Kan Li
出处
期刊:Journal of Environmental Management [Elsevier]
卷期号:324: 116405-116405 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.jenvman.2022.116405
摘要

The mass transfer on the catalyst surface has a great influence on the selectivity of electrocatalytic nitrate reduction to nitrogen. In this study, a Pd-Cu adsorption confined nickel foam cathode is designed in the absence of both proton exchange membranes and chloride ions. The repulsion of the cathode enables intermediate products such as nitrite to accumulate in the confined region, resulting in an increase in the possibility of a second-order reaction to form nitrogen. The system can obtain more than 92% continuous N2 selectivity when it is used to treat 200 mg L-1 NO3--N under a current density of 8 mA cm-2, which is not only higher than those of semiconfined and nonconfined systems but also significantly better than the results obtained by Pd-Cu directly modified cathodes prepared by electrodeposition or impregnation. It is found that a high initial nitrate concentration and low current density are more beneficial for the accumulation of intermediates on Pd-Cu catalysts, thus improving the formation of nitrogen. A mechanism study reveals that the intermediates can completely occupy the active sites on the surface of Pd, avoiding the generation of active hydrogen, and therefore inhibiting the first-order reaction to produce ammonia. Moreover, the reducibility of Pd-Cu can also be gradually improved under the function of the cathode so that the system exhibits good stability. This study demonstrates an environmentally friendly and promising method for total nitrogen removal from industrial wastewater with high conductivity.

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