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Promoting nitrogen electroreduction to ammonia with bismuth nanocrystals and potassium cations in water

法拉第效率 氮气 电化学 无机化学 催化作用 氨生产 电解质 化学 选择性 电极 物理化学 有机化学
作者
Yuchen Hao,Yu Guo,Li‐Wei Chen,Shu Miao,Xinyu Wang,Tong-An Bu,Wenyan Gao,Nan Zhang,Xin Su,Xiao Feng,Junwen Zhou,Bo Wang,Changwen Hu,Anxiang Yin,Rui Si,Ya‐Wen Zhang,Chun‐Hua Yan
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:2 (5): 448-456 被引量:703
标识
DOI:10.1038/s41929-019-0241-7
摘要

The electrochemical nitrogen reduction reaction (ENRR) can allow the production of ammonia from nitrogen and water under ambient conditions and is regarded as a sustainable alternative to the industrial Haber–Bosch process. However, electrocatalytic systems that selectively and efficiently catalyse nitrogen reduction remain elusive due to the strong competition with the hydrogen evolution reaction. Here, we report a strategy to simultaneously promote ENRR selectivity and activity using bismuth nanocrystals and potassium cations. Bismuth exhibits higher intrinsic ENRR activity than transition metals due to the strong interaction between the Bi 6p band and the N 2p orbitals. Potassium cations stabilize key nitrogen-reduction intermediates and regulate proton transfer to increase the selectivity. A high Faradaic efficiency of 66% and ammonia yield of 200 mmol g–1 h–1 (0.052 mmol cm–2 h–1) are obtained in aqueous electrolyte under ambient conditions. This strategy represents a general method to expand the library of catalysts and promoters for the selective electrochemical reduction of stable molecules. The electrochemical reduction of nitrogen to ammonia represents a challenge of major interest that would substantially decrease the burden of the energy-consuming Haber–Bosch process. Now, Yin, Yan, Zhang, Si and colleagues achieve high ammonia yield and Faradaic efficiency over 66% using bismuth nanocatalysts promoted by alkali cations.
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