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Accelerating Nitrate Electroreduction to Ammonia via Metal–Support Interactions in Ni-WS 2 Catalysts

化学 催化作用 硝酸盐 无机化学 金属 有机化学
作者
Jiangnan Lv,Qianwen Yang,Tingting Liang,Xiaoting Sun,Wanting Rong,Qiqi Dai,Yizhi Gao,Lanfang Wang,Xiaohong Xu,Yang Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (31): 27708-27719 被引量:47
标识
DOI:10.1021/jacs.5c06333
摘要

Electrocatalytic nitrate reduction reaction (NO 3 – RR) is a promising route for both treating NO 3 – -containing wastewater and enabling sustainable ammonia (NH 3 ) synthesis. While two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) catalysts have been widely investigated as catalysts in various electrocatalytic reactions, their practical application in NO 3 – RR remains hindered by inherently sluggish kinetics and insufficient stability. Metal–support interaction (MSI), which enhances charge transfer and stabilizes catalytic sites, offers a compelling strategy to address these challenges. Herein, we design an MSI-driven Ni-WS 2 catalyst via a two-step strategy. The Ni-WS 2 catalyst demonstrates outstanding NO 3 – RR performance, achieving a Faradaic efficiency of 91.7% at −0.3 V RHE with an NH 3 yield rate of 23.3 mg h –1 cm –2 at −0.7 V RHE . Significantly, the Ni-WS 2 catalyst maintained an exceptional stability in a membrane electrode assembly (MEA), sustaining ≈32 mg h –1 cm –2 NH 3 production over 100 h, surpassing most previously reported TMD-based catalysts. Density functional theory (DFT) calculations reveal that MSI between Ni metal and WS 2 support induces interfacial charge redistribution, optimizes adsorption energy of key intermediates and lowers the energy barrier for the rate-determining step (*NH 2 → *NH 3 ). Furthermore, the Zn-NO 3 – battery assembled with Ni-WS 2 cathode exhibits remarkable performance. This work advances a two-step synthesis strategy for high-performance NO 3 – RR electrocatalysts through targeted MSI modulation.
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