Constructing built-in electric field via CuO/NiO heterojunction for electrocatalytic reduction of nitrate at low concentrations to ammonia

非阻塞I/O 硝酸盐 电场 还原(数学) 异质结 材料科学 无机化学 领域(数学) 光电子学 化学 化学工程 物理 催化作用 有机化学 数学 工程类 量子力学 纯数学 几何学
作者
Ying Chen,Xing‐Yuan Xia,Lei Tian,Meng‐Ying Yin,Lingling Zheng,Qian Fu,Daishe Wu,Jian‐Ping Zou
出处
期刊:Chinese Chemical Letters [Elsevier]
卷期号:35 (12): 109789-109789 被引量:23
标识
DOI:10.1016/j.cclet.2024.109789
摘要

Electrocatalytic reduction of nitrate (NO3−) at low concentrations to ammonia (NH4+) still faces challenges of low NO3− conversion and NH4+ selectivity due to the sluggish mass transfer and insufficient atomic hydrogen (H*) supply. Herein, we propose CuO/NiO heterojunction with the assistance of a built-in electric field to enhance mass transfer and H* provision. The built-in electric field in CuO/NiO is successfully formed as demonstrated by X-ray photoelectron spectroscopy and ultraviolet photoemission spectroscopy. The results reveal that CuO/NiO achieves high NO3− reduction activity (100%) and NH4+ selectivity (100%) under low NO3− concentration conditions (100 mg/L NO3−, ca. 22.6 mg/L NO3−–N), which is superior to that of many recently reported electrocatalysts. Density functional theory calculations further clarify that the built-in electric field triggers the enhanced adsorption of reactants on CuO/NiO heterojunction interface and strong d-p orbital hybridization between reactants and CuO/NiO. Besides, the free energy diagram of hydrogen evolution reaction of CuO/NiO confirms the realization of enhanced H* provision. Moreover, coupling experiments and consecutive cycle tests demonstrate the potential of CuO/NiO in practical applications. This work may open up a new path and guide the development of efficient electrocatalysts for electrocatalytic reduction of NO3− at low concentrations to NH4+.
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