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Electronic Structure Optimization and Proton-Transfer Enhancement on Titanium Oxide-Supported Copper Nanoparticles for Enhanced Nitrogen Recycling from Nitrate-Contaminated Water

化学 硝酸盐 浸出(土壤学) 氮气 离解(化学) 无机化学 催化作用 吸附 电子转移 纳米颗粒 环境化学 光化学 材料科学 纳米技术 生物化学 环境科学 有机化学 物理化学 土壤科学 土壤水分
作者
Zixun Liu,Fei Shen,Li Shi,Qiuwen Tong,Mue Tang,Yiming Li,Min Peng,Zhaojie Jiao,Yan Jiang,Liang Ao,Wenyang Fu,Xiaoshu Lv,Guangming Jiang,Li’an Hou
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (27): 10117-10126 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c03431
摘要

Electrocatalytic reduction of nitrate to NH3 (NO3RR) on Cu offers sustainable NH3 production and nitrogen recycling from nitrate-contaminated water. However, Cu affords limited NO3RR activity owing to its unfavorable electronic state and the slow proton transfer on its surface, especially in neutral/alkaline media. Furthermore, although a synchronous "NO3RR and NH3 collection" system has been developed for nitrogen recycling from nitrate-laden water, no system is designed for natural water that generally contains low-concentration nitrate. Herein, we demonstrate that depositing Cu nanoparticles on a TiO2 support enables the formation of electron-deficient Cuδ+ species (0 < δ ≤ 2), which are more active than Cu0 in NO3RR. Furthermore, TiO2–Cu coupling induces local electric-field enhancement that intensifies water adsorption/dissociation at the interface, accelerating proton transfer for NO3RR on Cu. With the dual enhancements, TiO2–Cu delivers an NH3-N selectivity of 90.5%, mass activity of 41.4 mg-N h gCu–1, specific activity of 377.8 mg-N h–1 m–2, and minimal Cu leaching (<25.4 μg L–1) when treating 22.5 mg L–1 of NO3–-N at −0.40 V, outperforming most of the reported Cu-based catalysts. A sequential NO3RR and NH3 collection system based on TiO2–Cu was then proposed, which could recycle nitrogen from nitrate-contaminated water under a wide concentration window of 22.5–112.5 mg L–1 at a rate of 209–630 mgN m–2 h–1. We also demonstrated this system could collect 83.9% of nitrogen from NO3–-N (19.3 mg L–1) in natural lake water.
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