Coupling Curvature and Hydrophobicity: A Counterintuitive Strategy for Efficient Electroreduction of Nitrate into Ammonia

电催化剂 卤水 法拉第效率 电化学 化学工程 材料科学 氨生产 无机化学 解吸 化学 有机化学 电极 吸附 工程类 物理化学
作者
Jianan Gao,Qingquan Ma,Yihan Zhang,Shan Xue,Joshua Young,Meng‐Qiang Zhao,Zhiyong Jason Ren,Jae‐Hong Kim,Wen Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (14): 10302-10311 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c02020
摘要

The electrochemical upcycling of nitrate (NO3–) to ammonia (NH3) holds promise for synergizing both wastewater treatment and NH3 synthesis. Efficient stripping of gaseous products (NH3, H2, and N2) from electrocatalysts is crucial for continuous and stable electrochemical reactions. This study evaluated a layered electrocatalyst structure using copper (Cu) dendrites to enable a high curvature and hydrophobicity and achieve a stratified liquid contact at the gas–liquid interface of the electrocatalyst layer. As such, gaseous product desorption or displacement from electrocatalysts was enhanced due to the separation of a wetted reaction zone and a nonwetted zone for gas transfer. Consequently, this electrocatalyst structure yielded a 2.9-fold boost in per-active-site activity compared with that with a low curvature and high hydrophilic counterpart. Moreover, a NH3 Faradaic efficiency of 90.9 ± 2.3% was achieved with nearly 100% NO3– conversion. This high-curvature hydrophobic Cu dendrite was further integrated with a gas-extraction membrane, which demonstrated a comparable NH3 yield from the real reverse osmosis retentate brine.
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