Electron-deficient Cuδ+ stabilized by interfacial Cu–O-Al bonding for accelerating electrocatalytic nitrate conversion

化学 催化作用 无机化学 硝酸盐 选择性 阳极 法拉第效率 金属 浸出(土壤学) 氧化还原 电催化剂 氧化物 电化学 电极 物理化学 有机化学 土壤水分 土壤科学 环境科学
作者
Guangming Jiang,Min Peng,Lin Hu,Jiayi Ouyang,Xiaoshu Lv,Zhehan Yang,Xinyuan Liang,Yuan Liu,Hong Liu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:435: 134853-134853 被引量:55
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.134853
摘要

Electrocatalytic nitrate reduction to NH3 not only enables the recycling of nutrients from nitrate wastewater but can also lead to complete nitrogen elimination when paired with an NH3 oxidation reaction to achieve innocuous N2. Albeit electron-deficient copper (Cuδ+) is an active catalytic site for an electrocatalytic nitrate reduction reaction (ENRR), its stabilization under the reductive polarization potential of ENRR is challenging. Herein, we report the in-situ electroreduction of CuAl-mixed oxide to construct a Cu-Al2O3 interface with strong metal-support interactions (CuAl-LDO-r), which can form and stabilize Cuδ+ via Cu–O-Al bonds. The batch ENRR tests revealed that Cu52Al48-LDO-r delivers an NH3-N selectivity of 97.4%, stable specific activity of 661.6 mg-N m-2h−1 for NH3-N production (faradaic current efficiency of 70.4%), and minimal Cu leaching when reducing 22.5 mg L-1 NO3–-N at −1.10 V vs. Ag/AgCl, outperforming most of the reported catalysts under similar reaction conditions. Combined in-situ spectrometric analyses and theoretical calculations demonstrate that the robust performance of Cuδ+ originates from its substantial affinity toward the N-intermediates, which promotes molecule activation and prevents intercoupling to dinitrogen species. For nitrate elimination, the ENRR was coupled with an anode-driven breakpoint chlorination reaction, and the designed system enabled complete conversion of NO3–-N (44.5 mg L-1) to N2 with an electrical consumption of 1.82 kwh molN-1.
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