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Dual-site electrocatalytic nitrate reduction to ammonia on oxygen vacancy-enriched and Pd-decorated MnO2 nanosheets

电催化剂 化学 硝酸盐 无机化学 氨生产 催化作用 吸附 氧气 氮气 电化学 电极 有机化学 物理化学
作者
Yan Wang,Song Shu,Min Peng,Lin Hu,Xiaoshu Lv,Yu Shen,Haifeng Gong,Guangming Jiang
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (41): 17504-17511 被引量:36
标识
DOI:10.1039/d1nr04962c
摘要

Electrocatalytic nitrate reduction (NRR) represents one promising alternative to the Haber-Bosch process for NH3 production due to the lower reaction energy barrier compared to N2 reduction and the potential recycling of nitrogen source from nitrate wastewater. The metal oxides with oxygen vacancy (Ov) display high NH3 selectivities in NRR (NO2-/N2 as side products), but the complexity in Ov enrichment and the inferior hydrogen adsorption on oxides make NRR an inefficient process. Herein, one superior dual-site NRR electrocatalyst that is composed of Ov-enriched MnO2 nanosheets (MnO2-Ov) and Pd nanoparticles (deposited on MnO2) is constructed over the three-dimensional porous nickel foam (Pd-MnO2-Ov/Ni foam). In a continuous-flow reaction cell, this electrode delivers a NO3--N conversion rate of 642 mg N m-2electrode h-1 and a NH3 selectivity of 87.64% at -0.85 V vs. Ag/AgCl when feeding 22.5 mg L-1 of NO3--N (0.875 mL min-1), outperforming the Pd/Ni foam (369 mg N m-2electrode h-1, 85.02%) and MnO2-Ov/Ni foam (118 mg N m-2electrode h-1, 32.25%). Increasing the feeding NO3--N concentration and flow rate to 180.0 mg L-1 and 2.81 mL min-1 can further lift the conversion rate to 1933 and 1171 mg N m-2electrode h-1, respectively. The combination of experimental characterizations and theoretical calculations reveal that the MnO2-Ov adsorbs, immobilizes, and activates the NO3- and N-intermediates, while the Pd supplies the Ov sites with sufficient adsorbed hydrogen (H*) for both the NRR and Ov refreshment. Our work presents a good example of utilizing dual-site catalysis in the highly selective conversion of NO3- to NH3 that is important for nitrate pollution abatement, nitrogen resource recycling, as well as sustainable NH3 production.
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