Integration of Nitrate Denitrification and Biomass Valorization in a Water-Splitting-Based Configuration for Concurrent Electrocatalytic Refining

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作者
Yuchan Li,Baojun Long,Yanjia Cui,Wenqing Li,Dong He,Zunjian Ke,Xiangheng Xiao
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c05973
摘要

Engineering anodic and cathodic half-reactions with more favorable thermodynamics and techno-economics in water-splitting cells for electrorefining offers a promising approach to producing green fuels and fine chemicals. Herein, we demonstrated a coelectrolysis system integrating nitrate reduction reaction (NO3RR) and biomass oxidation reaction (BOR), where a well-designed CuNi alloy acted as the catalyst at the cathode and anode. The CuNi delivered a yield rate of 2.87 mmol h-1 cm-2 (8.44 mmol h-1 mgcat-1) at 0 V vs RHE and a FE of 95.33% (a current density of -136 mA cm-2) at -0.2 V vs RHE for ammonia synthesis from nitrate reduction. Mechanistic studies revealed that Cu centers rapidly converted NO3- to NO2-, while Ni sites promoted water dissociation, generating *H species for intermediate deoxygenation and hydrogenation via stepwise proton transfer. At the anode, the CuNi efficiently catalyzed the oxidative upgradation of biomass derivatives, with a Faradaic efficiency of >90% and a long-term stability over 240 h for formate production. In situ experiments demonstrate that Cu substantially enhances the dynamic transformation efficiency of the NiIII-O active species on CuNi catalysts. The integrated NO3RR||BOR system demonstrated an efficient and stable electrosynthesis (>120 h) of ammonia (∼3.9 mmol h-1 cm-2 or 11.47 mmol h-1 mgcat-1) and formate (∼38.3 mmol h-1 cm-2 or 112.65 mmol h-1 mgcat-1). This study emphasizes the design of a hybrid system for electrocatalytic refining of waste feedstocks into commodity chemicals.
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