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Decoupling Electron‐ and Phase‐Transfer Processes to Enhance Electrochemical Nitrate‐to‐Ammonia Conversion by Blending Hydrophobic PTFE Nanoparticles within the Electrocatalyst Layer

材料科学 电催化剂 电化学 电子转移 催化作用 化学工程 解吸 氨生产 纳米颗粒 无机化学 纳米技术 电极 吸附 有机化学 物理化学 化学 工程类
作者
Jianan Gao,Qingquan Ma,Joshua Young,John C. Crittenden,Wen Zhang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (9) 被引量:34
标识
DOI:10.1002/aenm.202203891
摘要

Abstract Electrochemical upcycling of nitrate into ammonia at ambient conditions offers a sustainable synthesis pathway that can complement the current industrial NH 3 production from the Haber–Bosch process. One of the key rate‐limiting steps is the effective desorption of gaseous or interfacial bubble products, mainly NH 3 with some minor side products of nitrogen and hydrogen, from the electrode surfaces to sustain available sites for the NO 3 − reduction reaction. To facilitate the gaseous product desorption from the catalytic sites, hydrophobic polytetrafluoroethylene (PTFE) nanoparticles are blended within a CuO catalyst layer, which is shown to eliminate the undesirable accumulation and blockage of electrode surfaces and largely decouples the electron‐ and phase‐transfer processes. The NH 3 partial current density normalized by the electrochemically active surface area (ECSA) increases by nearly a factor of 17.8 from 11.4 ± 0.1 to 203.3 ± 1.8 mA cm −2 ECSA . The DFT and ab‐initio molecular dynamics simulations suggest that the hydrophobic PTFE nanoparticles may serve as segregated islands to enhance the spillover and transport the gaseous products from electrocatalysts to the PTFE. Thus, a higher ammonia transfer is achieved for the mixed PTFE/CuO electrocatalyst. This new and simple strategy is expected to act as inspiration for future electrochemical gas‐evolving electrode design.
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