High-performance artificial nitrogen fixation at ambient conditions using a metal-free electrocatalyst

电催化剂 法拉第效率 催化作用 可逆氢电极 氮气 固氮 材料科学 氨生产 化学工程 化学 电化学 无机化学 电极 有机化学 工作电极 工程类 物理化学
作者
Weibin Qiu,Xiaoying Xie,Jian‐Ding Qiu,Wei‐Hai Fang,Ru‐Ping Liang,Xiang Ren,Xuqiang Ji,Guanwei Cui,Abdullah M. Asiri,Ganglong Cui,Bo Tang,Xuping Sun
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:9 (1) 被引量:684
标识
DOI:10.1038/s41467-018-05758-5
摘要

Conversion of naturally abundant nitrogen to ammonia is a key (bio)chemical process to sustain life and represents a major challenge in chemistry and biology. Electrochemical reduction is emerging as a sustainable strategy for artificial nitrogen fixation at ambient conditions by tackling the hydrogen- and energy-intensive operations of the Haber-Bosch process. However, it is severely challenged by nitrogen activation and requires efficient catalysts for the nitrogen reduction reaction. Here we report that a boron carbide nanosheet acts as a metal-free catalyst for high-performance electrochemical nitrogen-to-ammonia fixation at ambient conditions. The catalyst can achieve a high ammonia yield of 26.57 μg h-1 mg-1cat. and a fairly high Faradaic efficiency of 15.95% at -0.75 V versus reversible hydrogen electrode, placing it among the most active aqueous-based nitrogen reduction reaction electrocatalysts. Notably, it also shows high electrochemical stability and excellent selectivity. The catalytic mechanism is assessed using density functional theory calculations.
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