Favoring the unfavored: Selective electrochemical nitrogen fixation using a reticular chemistry approach

网状结缔组织 化学 固氮 氮气 电化学 固定(群体遗传学) 环境化学 有机化学 生物化学 电极 生物 解剖 物理化学 基因
作者
Hiang Kwee Lee,Charlynn Sher Lin Koh,Yih Hong Lee,Chong Liu,In Yee Phang,Xuemei Han,Chia‐Kuang Tsung,Xing Yi Ling
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:4 (3): eaar3208-eaar3208 被引量:407
标识
DOI:10.1126/sciadv.aar3208
摘要

Electrochemical nitrogen-to-ammonia fixation is emerging as a sustainable strategy to tackle the hydrogen- and energy-intensive operations by Haber-Bosch process for ammonia production. However, current electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) progress is impeded by overwhelming competition from the hydrogen evolution reaction (HER) across all traditional NRR catalysts and the requirement for elevated temperature/pressure. We achieve both excellent NRR selectivity (~90%) and a significant boost to Faradic efficiency by 10 percentage points even at ambient operations by coating a superhydrophobic metal-organic framework (MOF) layer over the NRR electrocatalyst. Our reticular chemistry approach exploits MOF's water-repelling and molecular-concentrating effects to overcome HER-imposed bottlenecks, uncovering the unprecedented electrochemical features of NRR critical for future theoretical studies. By favoring the originally unfavored NRR, we envisage our electrocatalytic design as a starting point for high-performance nitrogen-to-ammonia electroconversion directly from water vapor-abundant air to address increasing global demand of ammonia in (bio)chemical and energy industries.
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