Enhanced Nitrate-to-Ammonia Activity on Copper–Nickel Alloys via Tuning of Intermediate Adsorption

化学 催化作用 吸附 电化学 合金 无机化学 氨生产 密度泛函理论 电极 硝酸盐 计算化学 物理化学 有机化学
作者
Yuhang Wang,Aoni Xu,Ziyun Wang,Linsong Huang,Jun Li,Fengwang Li,Joshua Wicks,Mingchuan Luo,Dae‐Hyun Nam,Chih‐Shan Tan,Yu Ding,Jiawen Wu,Yanwei Lum,Cao‐Thang Dinh,David Sinton,Gengfeng Zheng,Edward H. Sargent
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (12): 5702-5708 被引量:1000
标识
DOI:10.1021/jacs.9b13347
摘要

Electrochemical conversion of nitrate (NO3–) into ammonia (NH3) recycles nitrogen and offers a route to the production of NH3, which is more valuable than dinitrogen gas. However, today's development of NO3– electroreduction remains hindered by the lack of a mechanistic picture of how catalyst structure may be tuned to enhance catalytic activity. Here we demonstrate enhanced NO3– reduction reaction (NO3–RR) performance on Cu50Ni50 alloy catalysts, including a 0.12 V upshift in the half-wave potential and a 6-fold increase in activity compared to those obtained with pure Cu at 0 V vs reversible hydrogen electrode (RHE). Ni alloying enables tuning of the Cu d-band center and modulates the adsorption energies of intermediates such as *NO3–, *NO2, and *NH2. Using density functional theory calculations, we identify a NO3–RR-to-NH3 pathway and offer an adsorption energy–activity relationship for the CuNi alloy system. This correlation between catalyst electronic structure and NO3–RR activity offers a design platform for further development of NO3–RR catalysts.
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