Surface Structure Reformulation from CuO to Cu/Cu(OH)2 for Highly Efficient Nitrate Reduction to Ammonia

电化学 催化作用 氨生产 可逆氢电极 电解质 无机化学 吸附 电极 法拉第效率 化学 材料科学 物理化学 工作电极 有机化学 生物化学
作者
Jin Li,Qiuling Jiang,Xiujing Xing,Cuilian Sun,Ying Wang,Zhijian Wu,Wei Xiong,Hao Li
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:11 (38) 被引量:37
标识
DOI:10.1002/advs.202404194
摘要

Abstract Electrochemical conversion of nitrate (NO 3 − ) to ammonia (NH 3 ) is a potential way to produce green NH 3 and remediate the nitrogen cycle. In this paper, an efficient catalyst of spherical CuO made by stacking small particles with oxygen‐rich vacancies is reported. The NH 3 yield and Faraday efficiency are 15.53 mg h −1 mg cat −1 and 90.69%, respectively, in a neutral electrolyte at a voltage of ‐0.80 V (vs. reversible hydrogen electrode). The high activity of the electrodes results from changes in the phase and structure during electrochemical reduction. Structurally, there is a shift from a spherical structure with dense accumulation of small particles to a layered network structure with uniform distribution of small particles stacked on top of each other, thus exposing more active sites. Furthermore, in terms of phase, the electrode transitions from CuO to Cu/Cu(OH) 2 . Density functional theory calculations showed that Cu(OH) 2 formation enhances NO 3 ‐ adsorption. Meanwhile, the Cu(OH) 2 can inhibit the competing hydrogen evolution reaction, while the formation of Cu (111) crystal surfaces facilitates the hydrogenation reaction. The synergistic effect between the two promotes the NO 3 ‐ to NH 3 . Therefore, this study provides a new idea and direction for Cu‐based oxides in electrocatalytic NH 3 production.
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