Tiara Ni Clusters for Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia with 97% Faradaic Efficiency

化学 催化作用 电化学 硝酸盐 层状双氢氧化物 法拉第效率 电催化剂 解吸 拉曼光谱 氨生产 亚硝酸盐 无机化学 电极 物理化学 吸附 有机化学 物理 光学
作者
Xinrui Gu,Jingjing Zhang,Song Guo,Yifei Zhang,Liangliang Xu,Rongchao Jin,Gao Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (26): 22785-22795 被引量:45
标识
DOI:10.1021/jacs.5c04950
摘要

The electroreduction of nitrate (NO3-) for sustainable ammonia (NH3) production has recently emerged as a green process to solve water contamination and produce valuable chemicals. In this study, we developed Ni6@CuFe-LDH composites comprising tiara Ni6(SC2H4COOH)12 (Ni6) clusters anchored on the edges of 2D CuFe-LDH (LDH: layered double hydroxides) nanosheets via electrostatic interactions. The Ni6@CuFe-LDH catalyst exhibits high electrochemical performance in nitrate reduction reaction (NO3RR). Specifically, the Ni6@CuFe-LDH gives rise to an excellent faradaic efficiency of ∼97%, significantly surpassing the ∼73% FE of the pristine CuFe-LDH, with the NH3 productivity (0.91 mmol mg-1 h-1) being similar to that of the CuFe-LDH. Mechanistic studies reveal that the superior electrocatalysis of Ni6-based catalysts is primarily due to the synergistic interaction between Ni6 clusters and CuFe-LDH, which alters the rate-determining step (RDS) of the desorption of *NH3 species (for CuFe-LDH) to the *NO3 → *NO2 step (for Ni6@CuFe-LDH); this is corroborated by the control experiments of NO2RR, in situ Raman and infrared spectroscopies, and computational approaches. In all, these efforts push forward the NO3RR research to study the structure-property relationships from the micro/nano-level to the precise atomic-level.
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