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

过电位 化学 氨 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]
卷期号:148 (17): 17910-17919 被引量:16
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·g cat –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 NO 3 – 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 15 N 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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