Pulsed Nitrate-to-Ammonia Electroreduction Facilitated by Tandem Catalysis of Nitrite Intermediates

化学 电解 电催化剂 硝酸盐 催化作用 亚硝酸盐 无机化学 氨生产 电解水 反应中间体 电化学 有机化学 电解质 电极 物理化学
作者
Panpan Li,Ran Li,Yuanting Liu,Minghao Xie,Zhaoyu Jin,Guihua Yu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (11): 6471-6479 被引量:413
标识
DOI:10.1021/jacs.3c00334
摘要

Electroreduction of nitrate to ammonia offers a promising pathway for nutrient recycling and recovery from wastewater with energy and environmental sustainability. There have been considerable efforts on the regulation of reaction pathways to facilitate nitrate-to-ammonia conversion over the competing hydrogen evolution reaction but only with limited success. Here, we report a Cu single-atom gel (Cu SAG) electrocatalyst that produces NH3 from both nitrate and nitrite under neutral conditions. Given the unique mechanism of NO2– activation on Cu SAGs with spatial confinement and strengthened kinetics, a pulse electrolysis strategy is presented to cascade the accumulation and conversion of NO2– intermediates during NO3– reduction with the prohibited competition from the hydrogen evolution reaction, thus substantially enhancing the Faradaic efficiency and the yield rate for ammonia production compared with constant potential electrolysis. This work underlines the cooperative approach of the pulse electrolysis and SAGs with three-dimensional (3D) framework structures for highly efficient nitrate-to-ammonia conversion enabled by tandem catalysis of unfavorable intermediates.
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