Defect-rich Cu@CuTCNQ composites for enhanced electrocatalytic nitrate reduction to ammonia

催化作用 法拉第效率 材料科学 电化学 吸附 化学工程 无机化学 化学 电极 冶金 有机化学 工程类 物理化学
作者
Na Zhou,Jiazhi Wang,Ning Zhang,Zhi Wang,Heng‐guo Wang,Gang Huang,Di Bao,Haixia Zhong,Xinbo Zhang,Xinbo Zhang
出处
期刊:Chinese Journal of Catalysis [Elsevier BV]
卷期号:50: 324-333 被引量:47
标识
DOI:10.1016/s1872-2067(23)64454-7
摘要

Electrochemical conversion of nitrate (NO3−) pollutants into chemical feedstock and fuel ammonia (NH3) can contribute to sustainable mitigation of the current severe energy and environmental crises. However, the electrocatalytic NO3− reduction to NH3 (NRA) involves a sluggish multielectron and proton transfer process that competes with the hydrogen evolution reaction (HER) in aqueous media, imposing great challenges in developing highly selective catalysts for NRA. In this study, we developed a copper and copper-tetracyanoquinodimethane composite catalyst (Cu@CuTCNQ), which possesses a high density of copper vacancy defects. This catalyst has been proven to be efficient for NRA through an in situ electrochemical reconstruction method. The structural evolution of CuTCNQ during NRA was investigated by in situ Raman spectroscopy, which indicated an accelerated charge transfer from the CuTCNQ substrate to the derived Cu, which facilitated the adsorption activation of NO3−. The obtained Cu@CuTCNQ exhibited an excellent catalytic performance for NRA, with a Faradaic efficiency of 96.4% and productivity of 144.8 μmol h−1 cm−2 at −0.6 V vs. a reversible hydrogen electrode, superior to Cu nanoparticle counterparts and most Cu-based catalysts. Cu vacancy defects and sufficient interfacial charge transfer synergistically optimize the charge distribution of Cu active sites, reduce the energy barrier for NO3− adsorption, and promote deoxidation and hydrogenation processes, thus enhancing NRA and selectivity.
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