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Efficient Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia Based on DNA-Templated Copper Nanoclusters

材料科学 电催化剂 催化作用 无机化学 电化学 纳米团簇 电解 电极 化学工程 化学 纳米技术 有机化学 物理化学 工程类 电解质 冶金
作者
Wenjie Luo,Shilu Wu,Yingyang Jiang,Peng Xu,Jinxuan Zou,Jinjie Qian,Xuemei Zhou,Yongjie Ge,Huagui Nie,Zhi Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (15): 18928-18939 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acsami.3c00511
摘要

In alkaline solutions, the electrocatalytic conversion of nitrates to ammonia (NH3) (NO3RR) is hindered by the sluggish hydrogenation step due to the lack of protons on the electrode surface, making it a grand challenge to synthesize NH3 at a high rate and selectivity. Herein, single-stranded deoxyribonucleic acid (ssDNA)-templated copper nanoclusters (CuNCs) were synthesized for the electrocatalytic production of NH3. Because ssDNA was involved in the optimization of the interfacial water distribution and H-bond network connectivity, the water-electrolysis-induced proton generation was enhanced on the electrode surface, which facilitated the NO3RR kinetics. The activation energy (Ea) and in situ spectroscopy studies adequately demonstrated that the NO3RR was exothermic until NH3 desorption, indicating that, in alkaline media, the NO3RR catalyzed by ssDNA-templated CuNCs followed the same reaction path as the NO3RR in acidic media. Electrocatalytic tests further verified the efficiency of ssDNA-templated CuNCs, which achieved a high NH3 yield rate of 2.62 mg h-1 cm-2 and a Faraday efficiency of 96.8% at -0.6 V vs reversible hydrogen electrode. The results of this study lay the foundation for engineering catalyst surface ligands for the electrocatalytic NO3RR.
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