Molecular Self-Assembly in Conductive Covalent Networks for Selective Nitrate Electroreduction to Ammonia

化学 选择性 催化作用 电化学 水溶液 电极 无机化学 去湿 电催化剂 氨生产 基质(水族馆) 硝酸盐 化学工程 共价键 组合化学 有机化学 海洋学 物理化学 润湿 工程类 地质学
作者
Feiqing Sun,Yifan Gao,Mengjie Li,Yingke Wen,Yanjie Fang,Thomas J. Meyer,Bing Shan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (39): 21491-21501 被引量:28
标识
DOI:10.1021/jacs.3c07320
摘要

Electrochemical nitrate (NO3-) reduction in aqueous media provides a useful approach for ammonia (NH3) synthesis. While efforts are focused on developing catalysts, the local microenvironment surrounding the catalyst centers is of great importance for controlling electrocatalytic performance. Here, we demonstrate that a self-assembled molecular iron catalyst integrated in a free-standing conductive hydrogel is capable of selective production of NH3 from NO3- at efficiencies approaching unity. With the electrocatalytic hydrogel, the NH3 selectivity is consistently high under a range of negative biases, which results from the hydrophobicity increase of the polycarbazole-based electrode substrate. In mildly acidic media, proton reduction is suppressed by electro-dewetting of the hydrogel electrode, enhancing the selectivity of NO3- reduction. The electrocatalytic hydrogel is capable of continuous production of NH3 for at least 100 h with NH3 selectivity of ∼89 to 98% at high current densities. Our results highlight the role of constructing an internal hydrophobic surface for electrocatalysts in controlling selectivity in aqueous media.
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