Self-enhanced localized alkalinity at the encapsulated Cu catalyst for superb electrocatalytic nitrate/nitrite reduction to NH 3 in neutral electrolyte

碱度 亚硝酸盐 硝酸盐 电解质 无机化学 催化作用 电催化剂 化学 氨生产 选择性催化还原 法拉第效率 电极 电化学 有机化学 物理化学
作者
Zhen Shen,Guanghai Chen,Xueyi Cheng,Fengfei Xu,Hongwen Huang,Xizhang Wang,Lijun Yang,Qiang Wu,Zheng Hu
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:10 (28)
标识
DOI:10.1126/sciadv.adm9325
摘要

The electrocatalytic nitrate/nitrite reduction reaction (eNO x − RR) to ammonia (NH 3 ) is thermodynamically more favorable than the eye-catching nitrogen (N 2 ) electroreduction. To date, the high eNO x − RR-to-NH 3 activity is limited to strong alkaline electrolytes but cannot be achieved in economic and sustainable neutral/near-neutral electrolytes. Here, we construct a copper (Cu) catalyst encapsulated inside the hydrophilic hierarchical nitrogen-doped carbon nanocages (Cu@hNCNC). During eNO x − RR, the hNCNC shell hinders the diffusion of generated OH − ions outward, thus creating a self-enhanced local high pH environment around the inside Cu nanoparticles. Consequently, the Cu@hNCNC catalyst exhibits an excellent eNO x − RR-to-NH 3 activity in the neutral electrolyte, equivalent to the Cu catalyst immobilized on the outer surface of hNCNC (Cu/hNCNC) in strong alkaline electrolyte, with much better stability for the former. The optimal NH 3 yield rate reaches 4.0 moles per hour per gram with a high Faradaic efficiency of 99.7%. The strong-alkalinity-free advantage facilitates the practicability of Cu@hNCNC catalyst as demonstrated in a coupled plasma-driven N 2 oxidization with eNO x − RR-to-NH 3 .
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