Fe/Cu diatomic catalysts for electrochemical nitrate reduction to ammonia

催化作用 氨生产 无机化学 电化学 硝酸盐 选择性催化还原 吸附 化学 法拉第效率 氮气 产量(工程) 材料科学 化学工程 电极 物理化学 有机化学 冶金 工程类
作者
Shuo Zhang,WU Jiang-hua,Mengting Zheng,Xin Jin,Zihan Shen,Zhonghua Li,Yanjun Wang,Quan Wang,Xuebin Wang,Hui Wei,Jiangwei Zhang,Peng Wang,Shanqing Zhang,Liyan Yu,Dong Lifeng,Qingshan Zhu,Huigang Zhang,Jun Lü
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:137
标识
DOI:10.1038/s41467-023-39366-9
摘要

Electrochemical conversion of nitrate to ammonia offers an efficient approach to reducing nitrate pollutants and a potential technology for low-temperature and low-pressure ammonia synthesis. However, the process is limited by multiple competing reactions and NO3- adsorption on cathode surfaces. Here, we report a Fe/Cu diatomic catalyst on holey nitrogen-doped graphene which exhibits high catalytic activities and selectivity for ammonia production. The catalyst enables a maximum ammonia Faradaic efficiency of 92.51% (-0.3 V(RHE)) and a high NH3 yield rate of 1.08 mmol h-1 mg-1 (at - 0.5 V(RHE)). Computational and theoretical analysis reveals that a relatively strong interaction between NO3- and Fe/Cu promotes the adsorption and discharge of NO3- anions. Nitrogen-oxygen bonds are also shown to be weakened due to the existence of hetero-atomic dual sites which lowers the overall reaction barriers. The dual-site and hetero-atom strategy in this work provides a flexible design for further catalyst development and expands the electrocatalytic techniques for nitrate reduction and ammonia synthesis.
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