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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 氨 无机化学 化学 产量(工程) 铜 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 W. Schuhmann
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1): 1129-1129 被引量:872
标识
DOI:10.1038/s41467-022-28728-4
摘要

Abstract Electrocatalytic recycling of waste nitrate (NO 3 − ) to valuable ammonia (NH 3 ) 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 NH 3 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 NO 3 − -to-NH 3 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/CuO x and Co/CoO phases. Electrochemical evaluation, kinetic studies, and in−situ Raman spectra reveal that the inner Cu/CuO x phases preferentially catalyze NO 3 − reduction to NO 2 − , which is rapidly reduced to NH 3 at the nearby Co/CoO shell. This unique tandem catalyst system leads to a NO 3 − -to-NH 3 Faradaic efficiency of 93.3 ± 2.1% in a wide range of NO 3 − concentrations at pH 13, a high NH 3 yield rate of 1.17 mmol cm −2 h −1 in 0.1 M NO 3 − at −0.175 V vs. RHE, and a half-cell energy efficiency of ~36%, surpassing most previous reports.
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