Efficient ammonia synthesis from the air using tandem non-thermal plasma and electrocatalysis at ambient conditions

法拉第效率 电化学 电催化剂 吸附 电解 制氢 可逆氢电极 化学工程 材料科学 化学 电极 物理化学 工作电极 有机化学 工程类 电解质
作者
Wei Liu,Mengyang Xia,Changsui Zhao,Ben Chong,Jiahe Chen,He Li,Honghui Ou,Guidong Yang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-47765-9
摘要

Abstract While electrochemical N 2 reduction presents a sustainable approach to NH 3 synthesis, addressing the emission- and energy-intensive limitations of the Haber-Bosch process, it grapples with challenges in N 2 activation and competing with pronounced hydrogen evolution reaction. Here we present a tandem air-NO x -NO x − -NH 3 system that combines non-thermal plasma-enabled N 2 oxidation with Ni(OH) x /Cu-catalyzed electrochemical NO x − reduction. It delivers a high NH 3 yield rate of 3 mmol h −1 cm −2 and a corresponding Faradaic efficiency of 92% at −0.25 V versus reversible hydrogen electrode in batch experiments, outperforming previously reported ones. Furthermore, in a flow mode concurrently operating the non-thermal plasma and the NO x − electrolyzer, a stable NH 3 yield rate of approximately 1.25 mmol h −1 cm −2 is sustained over 100 h using pure air as the intake. Mechanistic studies indicate that amorphous Ni(OH) x on Cu interacts with hydrated K + in the double layer through noncovalent interactions and accelerates the activation of water, enriching adsorbed hydrogen species that can readily react with N-containing intermediates. In situ spectroscopies and density functional theory (DFT) results reveal that NO x − adsorption and their hydrogenation process are optimized over the Ni(OH) x /Cu surface. This work provides new insights into electricity-driven distributed NH 3 production using natural air at ambient conditions.
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