Intercoupled electrocatalytic ammonia synthesis via a looped Li–N2/H2 battery

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作者
Z.C. Wang,Xiang Zhang,Z. G. Xiao,Qi Feng,Jing Lin,Linlin Zhang,Yangyang Feng,Yaobing Wang
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
卷期号:13 (4): nwaf586-nwaf586 被引量:1
标识
DOI:10.1093/nsr/nwaf586
摘要

Electrochemical ammonia (NH3) synthesis offers a sustainable pathway for the chemical industry. However, the fundamental proton-coupled nitrogen (N2) reduction process has led to the competing H2 evolution and low energy efficiency, particularly at high current densities. Herein, we present the design of a looped Li-N2/H2 battery that decouples N2 reduction from protonation by two separate sub-reactions of electrocatalytic N2 reduction in discharging (6Li+ + 6e- + N2 → 2Li3N) and electrocatalytic H2 oxidation in charging (H2 → 2H+ + 2e-), which are intercoupled into a synthetic loop to enable NH3 synthesis (Li3N + 3H+ → NH3 + 3Li+) without H2 evolution. This approach achieves record-high energy efficiency (26.0% ± 0.9%), Faradaic efficiency (63.7% ± 2.3%), and high NH3 production rate (1 mA cm-2, 0.12 mol h-1 m-2) under mild conditions. These results significantly lower the cost of ammonia production compared to conventional electrochemical methods, highlighting its promising potential for practical applications.
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