Hollow Nanoreactors Modulate Mass Transfer and Dual‐Species Spillover to Boost Nitrate‐to‐Ammonia Reduction in Real Wastewater

纳米反应器 材料科学 传质 废水 溢出效应 氢溢流 化学工程 电池(电) 催化作用 氨 硝酸盐 电化学 法拉第效率 工作(物理) 传质系数 电催化剂 无机化学 氢 硫黄 储能 分解水 氧化还原 产量(工程) 纳米技术 水力停留时间 双金属
作者
Penglei Zhang,Chaoqun Chang,Min Song,Gongchu Shi,Lihua Gong,Shizhong Wei,Feilong Gong
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e74714-e74714
标识
DOI:10.1002/adma.74714
摘要

ABSTRACT Copper‐based materials are promising catalysts for electrocatalytic nitrate reduction to ammonia (NH 3 ), while their use in real wastewater with low nitrate concentrations is hindered by poor mass transfer and high energy barrier. To overcome these limitations, we design a hollow Cu/MoS 2 ‐550 nanoreactor, consisting of hollow MoS 2 support loaded with Cu single atoms and clusters. At the mesoscale, the hollow MoS 2 support features a heat‐exchanger‐fin‐like structure that accelerates mass transfer, thereby promoting local enrichment of NO 3 − . At the microscale, precise modulation of sulfur vacancy concentration in MoS 2 triggers dual‐species spillover, namely reverse hydrogen spillover and *NO spillover from Cu single atoms to Cu clusters, which lowers the energy barrier of deep hydrogenation step. As a result, the Cu/MoS 2 ‐550 nanoreactor achieves an NH 3 Faradaic efficiency (FE) of 98.14% and a yield rate of 27.46 mg h −1 mg cat −1 . Furthermore, when assembled into an Al‐NO 3 − battery operating in real wastewater containing only ∼ 0.76 mM NO 3 − , the battery runs stably for 120 h, delivers an NH 3 FE of 53.20%, and maintains a nitrate removal rate of 91.17%. This work provides cross‐scale modulation strategies to overcome mass‐transfer bottlenecks and energy barriers in multi‐electron transfer reactions, offering a potential pathway for environmental applications.
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