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Self-Activated Ni Cathode for Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia: From Fundamentals to Scale-Up for Treatment of Industrial Wastewater

硝酸盐 阴极 废水 催化作用 化学 氨生产 法拉第效率 无机化学 选择性 电化学 电极 化学工程 环境工程 环境科学 有机化学 工程类 物理化学
作者
Wenxiao Zheng,Liuyi Zhu,Yan Zhang,Zichao Lin,Zhenchao Lei,Yifan Zhang,Haolin Xu,Zhi Dang,Chaohai Wei,Chunhua Feng
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
被引量:134
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c02278
摘要

Electrocatalytic reduction has recently received increasing attention as a method of converting waste nitrate into value-added ammonia, but most studies have focused on complex strategies of catalyst preparation and little has been done in the way of large-scale demonstrations. Herein, we report that in situ activation of a pristine Ni electrode, either on a lab scale or a pilot scale, is effective in facilitating nitrate reduction to ammonia, exhibiting extraordinarily high activity, selectivity, and stability. The self-activated Ni cathode has a robust capacity to reduce nitrate over a wide range of concentrations and achieves great conversion yield, NH4+–N selectivity, and Faradaic efficiency, respectively, 95.3, 95.5, and 64.4% at 200 mg L–1 NO3––N and 97.8, 97.1, and 90.4% at 2000 mg L–1 NO3––N, for example. Fundamental research indicates that Ni(OH)2 nanoparticles are formed on the Ni electrode surface upon self-activation, which play crucial roles in governing nitrate reduction reaction (NO3RR) through the atomic H*-mediated pathway and accordingly suppressing hydrogen evolution reaction. More importantly, the self-activated Ni(OH)2@Ni cathode can be easily scaled up to allow large volumes of real industrial wastewater to be processed, successfully transferring nitrate into ammonia with high yields and Faradaic efficiency. This study demonstrates a new, mild, and promising method of cleaning nitrate-laden wastewater that produces ammonia as a valuable byproduct.
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