Coupling nitrate capture with ammonia production through bifunctional redox-electrodes

硝酸盐 双功能 电催化剂 化学 无机化学 亚硝酸盐 氨生产 氧化还原 电化学 电极 催化作用 有机化学 物理化学
作者
Kwiyong Kim,Alexandra Zagalskaya,Jing Lian Ng,Jaehyun Hong,Vitaly Alexandrov,Tuan Anh Pham,Xiao Su
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:37
标识
DOI:10.1038/s41467-023-36318-1
摘要

Nitrate is a ubiquitous aqueous pollutant from agricultural and industrial activities. At the same time, conversion of nitrate to ammonia provides an attractive solution for the coupled environmental and energy challenge underlying the nitrogen cycle, by valorizing a pollutant to a carbon-free energy carrier and essential chemical feedstock. Mass transport limitations are a key obstacle to the efficient conversion of nitrate to ammonia from water streams, due to the dilute concentration of nitrate. Here, we develop bifunctional electrodes that couple a nitrate-selective redox-electrosorbent (polyaniline) with an electrocatalyst (cobalt oxide) for nitrate to ammonium conversion. We demonstrate the synergistic reactive separation of nitrate through solely electrochemical control. Electrochemically-reversible nitrate uptake greater than 70 mg/g can be achieved, with electronic structure calculations and spectroscopic measurements providing insight into the underlying role of hydrogen bonding for nitrate selectivity. Using agricultural tile drainage water containing dilute nitrate (0.27 mM), we demonstrate that the bifunctional electrode can achieve a 8-fold up-concentration of nitrate, a 24-fold enhancement of ammonium production rate (108.1 ug h-1 cm-2), and a >10-fold enhancement in energy efficiency when compared to direct electrocatalysis in the dilute stream. Our study provides a generalized strategy for a fully electrified reaction-separation pathway for modular nitrate remediation and ammonia production.
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