Electrocatalytic Reduction of Nitrate to Ammonia via a Au/Cu Single Atom Alloy Catalyst

法拉第效率 催化作用 电化学 合金 化学 密度泛函理论 吸附 电催化剂 无机化学 选择性 Atom(片上系统) 氨生产 材料科学 化学工程 物理化学 电极 计算化学 有机化学 计算机科学 工程类 嵌入式系统
作者
Haibo Yin,Yue Peng,Junhua Li
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (8): 3134-3144 被引量:87
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c07968
摘要

Electrocatalytic ammonia (NH3) synthesis from the reduction of nitrate (NO3-) is one of the effective and mild methods to treat nitrogen-containing wastewater from stationary sources and to obtain NH3 readily compared with the Haber-Bosch process. However, the low efficiency of electrocatalytic NO3- reduction to NH3 on traditional Cu-based catalysts hinders their practical application. Here, we prepare a Au/Cu single atom (SA) alloy (Au/Cu SAA) that shows a high performance of NH3 synthesis with 99.69% Faradaic efficiency at -0.80 V vs RHE. The structures of Au SAs and alloyed Au/Cu are confirmed by the detailed characterizations. Online differential electrochemical mass spectrometry confirms the occurrence of key reaction intermediates (*NO2, *NO, and *NH3). Density functional theory calculations demonstrate that Au SAs efficiently reduce the adsorption energy of *NO3-, and the newly formed Au-Cu bonds boost the reduction process of *NO2 to *NO. Meanwhile, Au/Cu SAAs produce significantly less N2 and N2O byproducts due to the prohibition of N-N coupling on single atoms, which finally leads to excellent Faradaic efficiency and NH3 selectivity.
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