A multifunctional copper single-atom electrocatalyst aerogel for smart sensing and producing ammonia from nitrate

电催化剂 硝酸盐 环境科学 环境化学 化学 材料科学 纳米技术 电化学 电极 有机化学 物理化学
作者
Panpan Li,Ling Liao,Zhiwei Fang,Gehong Su,Zhaoyu Jin,Guihua Yu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (26) 被引量:42
标识
DOI:10.1073/pnas.2305489120
摘要

Despite modern chemistry's success in providing affordable fertilizers for feeding the population and supporting the ammonia industry, ineffective nitrogen management has led to pollution of water resources and air, contributing to climate change. Here, we report a multifunctional copper single-atom electrocatalyst-based aerogel (Cu SAA) that integrates the multiscale structure of coordinated single-atomic sites and 3D channel frameworks. The Cu SAA demonstrates an impressive faradaic efficiency of 87% for NH3 synthesis, as well as remarkable sensing performance with detection limits of 0.15 ppm for NO3- and 1.19 ppm for NH4+. These multifunctional features enable precise control and conversion of nitrate to ammonia in the catalytic process, facilitating accurate regulation of the ammonium and nitrate ratios in fertilizers. We thus designed the Cu SAA into a smart and sustainable fertilizing system (SSFS), a prototype device for on-site automatic recycling of nutrients with precisely controlled nitrate/ammonium concentrations. The SSFS represents a forward step toward sustainable nutrient/waste recycling, thus permitting efficient nitrogen utilization of crops and mitigating pollutant emissions. This contribution exemplifies how electrocatalysis and nanotechnology can be potentially leveraged to enable sustainable agriculture.
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