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Electrochemistry-Assisted Photoelectrochemical Reduction of Nitrogen to Ammonia

电化学 氨生产 化学 产量(工程) 光电阴极 阴极 无机化学 分解水 纳米技术 氧化还原 氮气 电极 材料科学 催化作用 光催化 有机化学 物理 物理化学 量子力学 冶金 电子
作者
Jianyun Zheng,Yanhong Lyu,Jean‐Pierre Veder,Bernt Johannessen,Ruilun Wang,Roland De Marco,Aibin Huang,San Ping Jiang,Shuangyin Wang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:125 (42): 23041-23049 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c07278
摘要

Ammonia (NH3) is a basic chemical feedstock for the production of fertilizers and pharmaceuticals, and it emerges as a new hydrogen energy carrier for renewable energy sources such as solar and wind power. A photoelectrochemical nitrogen reduction reaction (PEC NRR) under mild operating conditions represents a potentially green and convenient approach for the synthesis of NH3. However, a generally applicable PEC NRR featuring a high NH3 yield and a satisfactory conversion efficiency remains elusive. Herein, we report on a simple and effective electrochemistry-assisted strategy to enhance the PEC fixation of N2 to NH3. Using this strategy, we harness a steel-based cathode-assisted Au/SiO2/Si photocathode to seamlessly combine two critical reaction steps—N2 activation and hydrogenation—to realize an NH3 yield rate of 22.0 μg·cm–2·h–1 and a faradic efficiency of 23.7% at −0.2 V versus a reversible hydrogen electrode under one sun illumination. We also provide an accessible reaction setup to avoid the disturbance of a contamination by air, human breath, and N2 stream, leading to a reliable production of NH3 by the PEC NRR. An operando characterization and a theoretical calculation uncover the active sites and reaction mechanism of the whole system for an electrochemistry-assisted PEC NRR. This work demonstrates the capability of an electrochemistry-assisted excitation in PEC NRR, and it introduces a new design concept for addressing pertinent challenges in photoelectrochemical and other chemical fields.

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