Unlocking Ampere-Level Nitrate Electroreduction to Ammonia Via the Built-In Electric Field in Monometallic Catalysts

催化作用 硝酸盐 安培 电场 无机化学 氨生产 材料科学 电化学 化学 纳米技术 化学工程 物理化学 电极 物理 热力学 有机化学 电流(流体) 工程类 量子力学
作者
Zhihong He,Qian Zhou,Xin Zi,Yong Zhang,Qing Li,Dongyang Li,Min Liu,Yu Fang,Haiqing Zhou
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (23): 9221-9228 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c00926
摘要

Bimetallic/multimetallic catalysts for nitrate reduction reaction (NO3-RR) have been extensively investigated benefiting from their synergistic effects in optimizing various intermediate adsorptions; however, the interphasic synergistic effects in monometallic catalysts are often overlooked. Here we report an interphasic synergy between electron-rich Co(OH)2 and electron-deficient CoO, in which the asymmetric charge distribution in monometallic cobalt-based heterojunction derived from the built-in electric field (BEF) significantly accelerates electron transfer and lowers the energy barriers for NO3-RR. Theoretical calculations reveal that the chemical affinities of Co atoms toward NO3- and NO2- are significantly enhanced and even NO3- adsorption switches to a spontaneous process. Simultaneously, the BEF in monometallic Co-based heterostructures greatly reduces the energy barrier of the rate-determining step (*NO→*NOH) in the NO3-RR. Therefore, the resultant catalyst exhibits ampere-level NO3-RR performance, achieving a record NH3 yield up to 73.9 mg h-1 cm-2 at a low potential of -0.2 V with a Faradaic efficiency (FE) of 95.6%.
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