Unveiling the size effect of nitrogen-doped carbon-supported copper-based catalysts on nitrate-to-ammonia electroreduction

催化作用 可逆氢电极 选择性 气凝胶 纳米颗粒 氨生产 金属 无机化学 法拉第效率 化学 氮气 材料科学 电化学 纳米技术 电极 物理化学 工作电极 冶金 生物化学 有机化学
作者
Ran Li,Taotao Gao,Wenxi Qiu,Minghao Xie,Zhaoyu Jin,Panpan Li
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:17 (4): 2438-2443 被引量:30
标识
DOI:10.1007/s12274-023-6094-z
摘要

The electrocatalytic nitrate reduction reaction (NitRR) represents a promising approach toward achieving economically and environmentally sustainable ammonia. However, it remains a challenge to regulate the size effect of electrocatalysts to optimize the catalytic activity and ammonia selectivity. Herein, the Cu-based catalysts were tailored at the atomic level to exhibit a size gradient ranging from single-atom catalysts (SACs, 0.15–0.35 nm) to single-cluster catalysts (SCCs, 1.0–2.8 nm) and nanoparticles (NPs, 20–30 nm), with the aim of studying the size effect for the NO3−-to-NH3 reduction reaction. Especially, the Cu SCCs exhibit enhanced metal–substrate and metal–metal interactions by taking advantageous features of Cu SACs and Cu NPs. Thus, Cu SCCs achieve exceptional electrocatalytic performance for the NitRR with a maximum Faradaic efficiency of ca. 96% and the largest yield rate of $$1.99\,{\rm{m}}{{\rm{g}}_{{\rm{N}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}}} \cdot {{\rm{h}}^{- 1}} \cdot {\rm{c}}{{\rm{m}}^{- 2}}$$ at −0.5 V vs. reversible hydrogen electrode (RHE). The theoretical calculation further reveals the size effect and coordination environment on the high catalytic activity and selectivity for the NitRR. This work provides a promising various size-controlled design strategy for aerogel-based catalysts effectively applied in various electrocatalytic reactions.
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