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

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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 [Springer Nature]
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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