In‐situ Reduced Cu3N Nanocrystals Enable High‐Efficiency Ammonia Synthesis and Zinc‐nitrate Batteries

催化作用 化学 电池(电) 轨道能级差 无机化学 硝酸锌 产量(工程) 材料科学 分子 有机化学 冶金 量子力学 物理 功率(物理)
作者
Shanshan Chen,Zhiwei Wang,Quan Zhang,Quan Zhang,Shiming Qiu,Shiming Qiu,Yifan Liu,Guangzhi Hu,Jun Luo,Xijun Liu
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:31 (9): e202404129-e202404129 被引量:5
标识
DOI:10.1002/chem.202404129
摘要

Nitrate reduction reaction (NO3RR) involves an 8-electron transfer process and competes with the hydrogen evolution reaction process, resulting in lower yields and Faraday efficiency (FE) in the process of NH3 synthesis. Especially, Cu-based catalysts (Cu0 and Cu+) have been investigated in the field of NO3RR due to the energy levels of d-orbital and the least unoccupied molecular orbital (LUMO) π* of nitrate's orbital. Based on the above, we synthesized a Cu-based compound containing Cu3N (Cu+) through a simple one-step pyrolysis method, applied it to electrocatalytic NO3RR, and tested the performance of the Zn-NO3 - battery. Through various characterization analyses, Cu-based catalysts (Cu+) are the key active sites in reduction reactions, making Cu3N a potential catalyst for ammonia synthesis. The research results indicate the application of Cu3N catalyst in NO3RR shows the best NH3 yield of 173.7 μmol h-1 cm-2 with FENH3 reaching 91.0 % at -0.3 V vs. RHE, which is much higher than that of Cu catalyst without N. In addition, the Zn-NO3 - battery based on Cu3N electrode also exhibits an NH3 yield of 39.8 μmol h-1 cm-2 63.0 % FENH3, and a power density of 2.7 mW cm-2 as well as stable cycling charge-discharge stability for 5 hours. This work guides the application of Cu3N enhanced regulation of the active site in the electrocatalytic synthesis of NH3 from NO3RR.
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