Boosting Electrocatalytic Nitrate‐to‐Ammonia via Tuning of N‐Intermediate Adsorption on a Zn−Cu Catalyst

催化作用 吸附 法拉第效率 无机化学 掺杂剂 化学工程 化学 硝酸盐 材料科学 电化学 兴奋剂 电极 物理化学 有机化学 工程类 光电子学
作者
Limin Wu,Jiaqi Feng,Libing Zhang,Shunhan Jia,Xinning Song,Qinggong Zhu,Xinchen Kang,Xueqing Xing,Xiaofu Sun,Buxing Han
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:135 (43)
标识
DOI:10.1002/ange.202307952
摘要

Abstract The renewable‐energy‐powered electroreduction of nitrate (NO 3 − ) to ammonia (NH 3 ) has garnered significant interest as an eco‐friendly and promising substitute for the Haber–Bosch process. However, the sluggish kinetics hinders its application at a large scale. Herein, we first calculated the N‐containing species (*NO 3 and *NO 2 ) binding energy and the free energy of the hydrogen evolution reaction over Cu with different metal dopants, and it was shown that Zn was a promising candidate. Based on the theoretical study, we designed and synthesized Zn‐doped Cu nanosheets, and the as‐prepared catalysts demonstrated excellent performance in NO 3 − ‐to‐NH 3 . The maximum Faradaic efficiency (FE) of NH 3 could reach 98.4 % with an outstanding yield rate of 5.8 mol g −1 h −1 , which is among the best results up to date. The catalyst also had excellent cycling stability. Meanwhile, it also presented a FE exceeding 90 % across a wide potential range and NO 3 − concentration range. Detailed experimental and theoretical studies revealed that the Zn doping could modulate intermediates adsorption strength, enhance NO 2 − conversion, change the *NO adsorption configuration to a bridge adsorption, and decrease the energy barrier, leading to the excellent catalytic performance for NO 3 − ‐to‐NH 3 .
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