Splicing the active phases of copper/cobalt-based catalysts achieves high-rate tandem electroreduction of nitrate to ammonia

催化作用 法拉第效率 氨生产 电化学 串联 无机化学 化学 产量(工程) 拉曼光谱 材料科学 化学工程 电极 物理化学 复合材料 有机化学 工程类 物理 光学 冶金 生物化学
作者
Wenhui He,Jian Zhang,Stefan Dieckhöfer,Swapnil Varhade,Ann Cathrin Brix,Anna Lielpētere,Sabine Seisel,João R. C. Junqueira,Wolfgang Schuhmann
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:570
标识
DOI:10.1038/s41467-022-28728-4
摘要

Electrocatalytic recycling of waste nitrate (NO3-) to valuable ammonia (NH3) at ambient conditions is a green and appealing alternative to the Haber-Bosch process. However, the reaction requires multi-step electron and proton transfer, making it a grand challenge to drive high-rate NH3 synthesis in an energy-efficient way. Herein, we present a design concept of tandem catalysts, which involves coupling intermediate phases of different transition metals, existing at low applied overpotentials, as cooperative active sites that enable cascade NO3--to-NH3 conversion, in turn avoiding the generally encountered scaling relations. We implement the concept by electrochemical transformation of Cu-Co binary sulfides into potential-dependent core-shell Cu/CuOx and Co/CoO phases. Electrochemical evaluation, kinetic studies, and in-situ Raman spectra reveal that the inner Cu/CuOx phases preferentially catalyze NO3- reduction to NO2-, which is rapidly reduced to NH3 at the nearby Co/CoO shell. This unique tandem catalyst system leads to a NO3--to-NH3 Faradaic efficiency of 93.3 ± 2.1% in a wide range of NO3- concentrations at pH 13, a high NH3 yield rate of 1.17 mmol cm-2 h-1 in 0.1 M NO3- at -0.175 V vs. RHE, and a half-cell energy efficiency of ~36%, surpassing most previous reports.
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