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Batch-Scale Synthesis of Nanoparticle-Agminated Three-Dimensional Porous Cu@Cu2O Microspheres for Highly Selective Electrocatalysis of Nitrate to Ammonia

硝酸盐 电化学 微球 电催化剂 化学 纳米颗粒 多孔性 化学工程 氨生产 材料科学 纳米技术 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Minghang Jiang,Qiang Zhu,Xinmei Song,Yuming Gu,Pengbo Zhang,Changqing Li,Jianxun Cui,Jing Ma,Zuoxiu Tie,Zhong Jin
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (14): 10299-10307 被引量:66
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c01057
摘要

The electrochemical nitrate reduction reaction (NITRR), which converts nitrate to ammonia, is promising for artificial ammonia synthesis at mild conditions. However, the lack of favorable electrocatalysts has hampered its large-scale applications. Herein, we report the batch-scale synthesis of three-dimensional (3D) porous Cu@Cu2O microspheres (Cu@Cu2O MSs) composed of fine Cu@Cu2O nanoparticles (NPs) using a convenient electric explosion method with outstanding activity and stability for the electrochemical reduction of nitrate to ammonia. Density functional theory (DFT) calculations revealed that the Cu2O (111) facets could facilitate the formation of *NO3H and *NO2H intermediates and suppress the hydrogen evolution reaction (HER), resulting in high selectivity for the NITRR. Moreover, the 3D porous structure of Cu@Cu2O MSs facilitates electrolyte penetration and increases the localized concentration of reactive species for the NITRR. As expected, the obtained Cu@Cu2O MSs exhibited an ultrahigh NH3 production rate of 327.6 mmol·h-1·g-1cat. (which is superior to that of the Haber-Bosch process with a typical NH3 yield <200 mmol h-1g-1cat.), a maximum Faradaic efficiency of 80.57%, and remarkable stability for the NITRR under ambient conditions. Quantitative 15N isotope labeling experiments indicated that the synthesized ammonia originated from the electrochemical reduction of nitrate. Achieving the batch-scale and low-cost production of high-performance Cu@Cu2O MSs electrocatalysts using the electric explosion method is promising for the large-scale realization of selective electrochemical reduction of nitrate toward artificial ammonia synthesis.

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