Synergistic copper single-atoms and nanoparticles in-situ generated towards nitrate electroreduction to ammonia

纳米颗粒 废水 无机化学 化学 硝酸盐 阴极 产量(工程) 氨生产 电化学 污水处理 化学工程 电极 催化作用 碳纤维 电催化剂 材料科学
作者
Zirui Liu,Jiacheng Jayden Wang,Yifan Li,Chenglong Qiu,Yunhong Liang,Jiacheng Wang
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:19 (3): 94908370-94908370 被引量:2
标识
DOI:10.26599/nr.2026.94908370
摘要

Electrocatalytic synthesis of ammonia (NH3) from nitrate (NO3-) is an effective approach for reducing nitrate pollutants in the environment and a promising method for ammonia synthesis under mild conditions. However, current catalyst synthesis is costly, and their application in real wastewater remains underexplored. Herein, we prepared high-efficiency copper-based single-atom-nanoparticle synergistic sites on carbon felt (CuSA/NP@C) from copper-containing wastewater. Trace Cu2+ in wastewater enables efficient nitrate reduction reaction (NO3RR), and the effect of different Cu2+ concentrations was also investigated. The optimized CuSA/NP@C, with synergy between single atoms and nanoparticles, shows excellent activity: maximum Faraday efficiency of ~100% (at -0.3 V vs. RHE) and NH3 yield of ~10 mg cm-2. Theoretical calculations reveal that Cu single-atoms and nanoparticles synergistically act on the NO3* and H* intermediates to promote nitrate hydrogenation to NH3. A membrane electrode assembly with the CuSA/NP@C cathode achieves NH3 synthesis at an industrial current density of 200 mA cm-2 for over 90 hours. This “treating waste with waste” strategy offers new paths for nitrate wastewater recycling and green NH3 synthesis advancement.
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