Boosting Electrochemical Nitrate Reduction Over a Wide Concentration Range through Constructing Bidirectional Electron Transfer Channels

材料科学 电子转移 催化作用 电化学 化学工程 硝酸盐 选择性催化还原 电极 无机化学 纳米技术 光化学 化学 物理化学 生物化学 工程类 有机化学
作者
T. Prasada Rao,Yating Chen,Yaohua Hong,Fengshou Yu,Lu‐Hua Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c05905
摘要

Electrocatalytic nitrate (NO3-) reduction reaction (NO3RR) to ammonia (NH3) provides a sustainable solution for the nitrogen cycle and a new pathway for green NH3 synthesis. Nevertheless, the NO3RR over a wide concentration range remains challenging due to mass transfer resistance at low concentrations and insufficient *H supply at high concentrations. Herein, we designed the three-layer composite catalyst (Co/Cu/NC) by embedding Co@Cu core-shell nanoparticles into N-doped carbon substrates (Co@Cux/NC, x = Cu/Co atomic ratio) for NO3RR. The optimal catalyst Co@Cu1.0/NC exhibits a remarkable FENH3 over a wide potential window with the increase in the NO3- concentration from 1 to 2000 mM. Both experimental and theoretical studies have demonstrated that the electron-deficient Cu sites formed by the bidirectional electron transport to Co and NC are favorable for NO3- adsorption and conversion to *NO2. Simultaneously, the electron-rich Co sites efficiently facilitate H2O dissociation, supplying sufficient *H to the adjacent Cu sites to reduce the *NO2 intermediate to NH3. As a result, the catalyst Co@Cu1.0/NC exhibits excellent NO3RR performance over a record-wide NO3- concentration range covering the textile industry effluents to nuclear waste. The bidirectional electron transport channel provides a novel guideline for the design of NO3RR electrocatalysts over the full concentration range.
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