Boosting Electrochemical Nitrate Reduction at Low Concentrations Through Simultaneous Electronic States Regulation and Proton Provision

吸附 电化学 硝酸盐 离解(化学) 水溶液 材料科学 电子转移 无机化学 化学 光化学 电极 有机化学 物理化学
作者
Wenlin Zhang,Yuzhuo Zhou,Yong Zhu,Yabo Guo,Bo Zhang,Lu‐Hua Zhang,Fei Li,Fengshou Yu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (43): e2404792-e2404792 被引量:27
标识
DOI:10.1002/smll.202404792
摘要

Electrochemically converting nitrate (NO3 -) into ammonia (NH3) has emerged as an alternative strategy for NH3 production and effluent treatment. Nevertheless, the electroreduction of dilute NO3 - is still challenging due to the competitive adsorption between various aqueous species and NO3 -, and unfavorable water dissociation providing *H. Herein, a new tandem strategy is proposed to boost the electrochemical nitrate reduction reaction (NO3RR) performance of Cu nanoparticles supported on single Fe atoms dispersed N-doped carbon (Cu@Fe1-NC) at dilute NO3 - concentrations (≤100 ppm NO3 --N). The optimized Cu@Fe1-NC presents a FENH3 of 97.7% at -0.4 V versus RHE, and a significant NH3 yield of 1953.9 mmol h-1 gCu -1 at 100 ppm NO3 --N, a record-high activity for dilute NO3RR. The metal/carbon heterojunctions in Cu@Fe1-NC enable a spontaneous electron transfer from Cu to carbon substrate, resulting in electron-deficient Cu. As a result, the electron-deficient Cu facilitates the adsorption of NO3 - compared with the pristine Cu. The adjacent atomic Fe sites efficiently promote water dissociation, providing abundant *H for the hydrogenation of *NOx e at Cu sites. The synergistic effects between Cu and single Fe atom sites simultaneously decrease the energy barrier for NO3 - adsorption and hydrogenation, thereby enhancing the overall activity of NO3 - reduction.
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