Electroreduction of nitrogen with almost 100% current-to-ammonia efficiency

电解质 电化学 氨生产 锂(药物) 化学 电极 氮气 无机化学 化学工程 材料科学 有机化学 医学 工程类 内分泌学 物理化学
作者
Hoang-Long Du,Manjunath Chatti,Rebecca Y. Hodgetts,Pavel V. Cherepanov,Cuong Nguyen,Karolina Matuszek,Douglas R. MacFarlane,Alexandr N. Simonov
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:609 (7928): 722-727 被引量:138
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05108-y
摘要

Beyond its use in the fertiliser and chemical industries1, ammonia is currently seen as a potential replacement for carbon-based fuels and as a carrier for worldwide transportation of renewable energy2. Implementation of this vision requires transformation of the existing fossil fuel based technology for NH3 production3 to a simpler, scale-flexible technology, such as the electrochemical lithium-mediated nitrogen reduction reaction (Li-NRR)3,4. This provides a genuine pathway from N2 to ammonia, yet is hampered by limited yield rates and efficiencies4-12. Here we investigate the role of the electrolyte in this reaction and present a high-efficiency, robust process enabled by compact ionic layering in the electrode-electrolyte interfacial region. The interface is generated by a high-concentration imide-based lithium salt electrolyte, enabling stabilised ammonia yield rates of 150±20 nmol s-1 cm-2 and current-to-ammonia efficiency closely approaching 100%. The ionic assembly formed at the electrode surface suppresses electrolyte decomposition and supports stable N2 reduction. Our study highlights the interrelation between the performance of the Li-NRR and the physicochemical properties of the electrode-electrolyte interface. We anticipate that these findings will guide the development of a robust, high-performance process for sustainable ammonia production.
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