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Confinement-Induced Enrichment in Hollow Multishelled Structure for High-Efficiency Ammonia Electrosynthesis

过电位 化学 硝酸盐 原位 法拉第效率 电合成 氨生产 化学工程 电化学 产量(工程) 纳米技术 无机化学 催化作用 选择性催化还原 扫描电化学显微镜 共焦激光扫描显微镜 氮气
作者
Di Li,Yani Chai,Qian Xiao,Jiayu Zhao,Chang Chen,Jiawei Wan,Ranbo Yu,Dan Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c01046
摘要

Electrochemical nitrate reduction represents a sustainable route for ammonia synthesis, yet its advancement is hampered by two bottlenecks: the fundamental limitation on conversion efficiency stems from inadequate in situ nitrate enrichment and the elusive dynamic evolution of catalytic mechanisms under operational conditions. Here, we report a CuO hollow multishelled structure (CuO-HoMS) that functions as a spontaneous pre-enrichment micronanoreactor capable of enriching, confining, and converting nitrate with exceptional efficiency. The CuO-HoMS with triple shells (3s-CuO-HoMS) achieves a champion Faradaic efficiency of 96.4 ± 0.9%, and an ammonia yield of 6316.3 ± 96.1 mmol·gcat-1·h-1 at -0.4 V versus RHE among various catalysts. In situ confocal laser scanning microscopy directly visualized the rapid and sustained enrichment of NO3- within the stratified three-cavity reactor, with this enhanced anionic accessibility significantly reducing the overpotential and boosting efficient ammonia production. In situ XAS, Raman, FTIR, and DEMS collectively uncovered the dynamic evolution of 3s-CuO-HoMS, captured N-containing intermediates, and deduced a convincing reaction pathway validated by 15N isotopic tracing of the nitrogen source. This work offers guidance for designing anion-rich micronanoreactors under specific conditions and for elucidating the dynamic evolution mechanisms of nitrate reduction under operational conditions.
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