Self-enhanced localized alkalinity at the encapsulated Cu catalyst for superb electrocatalytic nitrate/nitrite reduction to NH3 in neutral electrolyte

电解质 催化作用 碱度 无机化学 化学 亚硝酸盐 选择性催化还原 电催化剂 还原(数学) 电化学 硝酸盐 电极 有机化学 物理化学 几何学 数学
作者
Zheng Hu,Zhen Shen,Guanghai Chen,Xueyi Cheng,Fengfei Xu,Hongwen Huang,Xizhang Wang,Lijun Yang,Qiang Wu
出处
期刊:Research Square - Research Square 被引量:1
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-3366804/v1
摘要

Abstract Electrocatalytic nitrate/nitrite reduction reaction (eNOx−RR) to NH3 is thermodynamically more favorable than the eye-catching N2 electroreduction, showing wide application scenarios. To date, the high catalytic activity for eNOx−RR-to-NH3 is limited to strong alkaline electrolytes, but cannot be achieved in economic and sustainable neutral/near-neutral electrolytes. Herein, we construct a novel Cu catalyst which is encapsulated inside the hydrophilic hierarchical nitrogen-doped carbon nanocages (Cu@hNCNC). During eNOx−RR, the hNCNC shell hinders the diffusion of generated OH− ions to the outside of hNCNC, and thus creates a self-enhanced local high pH environment around the inside Cu nanoparticles, which is supported by the experimental results and finite element simulations. Consequently, the Cu@hNCNC catalyst exhibits an excellent eNOx−RR-to-NH3 activity even in neutral electrolyte, equivalent to the Cu catalyst immobilized on outer surface of hNCNC (Cu/hNCNC) in strong alkaline electrolyte, with much better stability for the former. In the neutral electrolyte with 1 mol L−1 NOx−, Cu@hNCNC catalyst exhibits a record-high NH3 yield rate up to 4.0 mol h−1 g−1 with high Faradaic efficiency of 99.7%. The strong-alkalinity-free advantage suggests the potential application, and the practicability of Cu@hNCNC catalyst is demonstrated in a coupled plasma-driven N2 oxidization with eNOx−RR-to-NH3 process. This study presents an advanced approach to high-efficient eNOx−RR-to-NH3 in neutral/near-neutral electrolytes with scientific and technological significance, and even beyond.
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