Atomically Dispersed Cu Sites on Dual‐Mesoporous N‐Doped Carbon for Efficient Ammonia Electrosynthesis from Nitrate

电合成 催化作用 氨生产 无机化学 电化学 材料科学 介孔材料 硝酸盐 法拉第效率 化学工程 纳米技术 化学 电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Mengqiu Xu,Qifan Xie,Delong Duan,Ye Zhang,Yuhu Zhou,Haiqiao Zhou,Xiaoyu Li,Yao Wang,Peng Gao,Wei Ye
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:15 (11) 被引量:30
标识
DOI:10.1002/cssc.202200231
摘要

The industrial Haber-Bosch process for ammonia synthesis is extremely important in modern society. However, it is energy intensive and leads to severe pollution, which has motivated eco-friendly NH3 synthesis research. Electroreduction of contaminant nitrate ions back to NH3 is an effective complement but is still limited by low NH3 yields and nitrate-to-NH3 selectivities. In this study, the electrochemical nitrate reduction reaction (NTRR) is carried out over a single-atom Cu catalyst. Atomically dispersed Cu sites anchored on dual-mesoporous N-doped carbon framework display excellent NTRR performance with NH3 production rate of 13.8 mol NH3 gcat-1 h-1 and NO3- -to-NH3 faradaic efficiency (FE) of 95.5 % at -1.0 V. Cu-N-C catalyst can sustain continuous 120 h NTRR test in the simulated NH3 synthesis scenarios with large current density (about 200 mA cm-2 ) and amplified volume of NO3- solution (9 times). Theoretical calculations reveal that atomically dispersed Cu1 -N4 sites reduce the energy barrier of potential-determining step in NTRR and promote the decomposition of primary intermediate in NO3- -to-N2 process. These findings provide a guideline for the rational design of highly active, selective and durable electrocatalysts for the NTRR.
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