Highly dispersed copper-iron nanoalloy enhanced electrocatalytic reduction coupled with plasma oxidation for ammonia synthesis from ubiquitous air and water

材料科学 催化作用 氨生产 无机化学 化学工程 电化学 氧化剂 电极 化学 冶金 有机化学 工程类 物理化学
作者
Yang Liu,Jiawang Ma,Shenglong Huang,S. Niu,Shuyan Gao
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:117: 108840-108840 被引量:50
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108840
摘要

Conversion of nitrogen to ammonia at ambient conditions is a promising avenue for future distributed energy storage and fertilizer supply. However, it is currently hindered by the difficult nitrogen activation and competitive hydrogen evolution reaction. Herein, we develop a new strategy of highly dispersed copper-iron (Cu-Fe) nanoalloy enhanced electrocatalytic nitrate reduction to ammonia (NRA), in which nitrate can be derived from nitrogen and oxygen in the air via plasma process. The nitrate obtained by plasma oxidation of air is more than 3 times as much as nitrite, and the total yield rate of nitrate and nitrite is over 137 μmol·h1 by a single electrode of Tesla coil. Highly dispersed Cu-Fe nanoalloy with different ratios of Cu to Fe were prepared for NRA catalysts using the Joule heating method with instantaneous thermal shock, Cu10Fe1 nanoalloy demonstrates the best NRA activity, exhibits an excellent ammonia yield rate of 190.46 μmol·h1·cm2 and Faraday efficiency of 93.74 %. The Kelvin probe force microscope, in situ electrochemical Raman spectroscopy and density functional theory reveal the enhancing effect and tuning mechanism of Fe atom on the adsorption energy and electronic structure of Cu. This work opens up a new pathway for ammonia synthesis from air and water and provides a new strategy for the construction of high-performance NRA catalysts and the analysis of the reaction mechanism.
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