Ultralow overpotential nitrate reduction to ammonia via a three step relay mechanism

过电位 氨生产 硝酸盐 电化学 催化作用 无机化学 氧化还原 材料科学 继电器 化学 电极 化学工程 物理化学 热力学 有机化学 物理 功率(物理) 工程类
作者
Shuhe Han,Hongjiao Li,Tieliang Li,Fanpeng Chen,Rong Yang,Yifu Yu,Bin Zhang
出处
期刊:Research Square - Research Square
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-1550500/v1
摘要

Abstract Ammonia plays a significant role in agriculture and the next-generation carbon-free energy supply. Electrocatalytic nitrate reduction to NH 3 is attractive for nitrate removal and NH 3 production under ambient conditions. However, the energy efficiency is limited by the high reaction overpotential. Here, we propose a three-step relay mechanism composed of a spontaneous redox reaction, electrochemical reduction, and electrocatalytic reduction to overcome this issue. Ru x Co y alloys are designed and adopted as model catalysts. Ru 15 Co 85 exhibits an onset potential of +0.4 V versus a reversible hydrogen electrode and an energy efficiency of 41.54 ± 1.72 %, which are both the best records. The high performance results in a low production cost of $0.49 ± 0.02 /kg ammonia ($0.58~1.02/kg ammonia sold in the USA). Electrochemical in situ spectroscopy and theoretical simulations indicate that the three-step relay mechanism leads to excellent catalytic performance on Ru 15 Co 85 and can be extended to Ru x Fe y and Ru x Ni y alloys.
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