Tandem Catalysis Sites in Co‐NO/C for Efficient and Scalable Electrocatalytic Nitrate to Ammonia Conversion

催化作用 电化学 串联 法拉第效率 硝酸盐 无机化学 材料科学 介电谱 电催化剂 吸附 氨 氨生产 选择性 化学工程 红外光谱学 反应机理 电极 同位素标记 产量(工程) 氮气 反应中间体 化学 解吸 纳米颗粒 法拉第电流 分析化学(期刊) 膜电极组件 多相催化 光化学 原位
作者
Jingyi Sun,He Wang,Cheng Wang,Wenhao Liu,Qiang Liu,Kaiyi Chen,Ting‐Hai Yang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.78831
摘要

ABSTRACT Electrocatalytic nitrate reduction to ammonia (eNO 3 RA) represents an emerging strategy for coupling nitrate remediation with nitrogen recovery and value‐added ammonia production, but it remains challenging to simultaneously promote nitrate activation and downstream hydrogenation. Herein, we report a Co ‐NO/C catalyst featuring Co 3 O 4 /Co 4 N tandem catalysis sites embedded in a conductive carbon matrix. Structural and spectroscopic analyses suggest that Co 3 O 4 sites mainly favor nitrate adsorption/activation, whereas Co 4 N sites facilitate interfacial active‐hydrogen generation. In an H‐type cell, Co‐NO/C delivers high NH 3 selectivity over a broad potential window and reaches a Faradaic efficiency of 99.7% at −0.6 V vs. RHE, with an NH 3 yield rate of 62.4 mg h −1 mg cat. −1 . Online differential electrochemical mass spectrometry (DEMS), 15 N isotopic labeling, in situ attenuated total reflection Fourier‐transform infrared spectroscopy (ATR‐FTIR), in situ electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and spatially resolved scanning vibrating probe (SVP) measurements collectively support a stepwise nitrate‐to‐ammonia pathway involving sequential adsorption, deoxygenation, and hydrogenation of NO x ‐derived intermediates. Density functional theory (DFT) calculations and molecular dynamics (MD) simulations further indicate spontaneous nitrate adsorption on Co 3 O 4 and favorable H * formation on Co 4 N sites. Device demonstrations in Zn–NO 3 − batteries and a membrane electrode assembly (MEA) reactor further suggest the practical promise of this tandem‐site design for eNO 3 RA.
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