Artificial Frustrated Lewis Pairs for Ampere-Level Ammonia Synthesis and High-Power-Density Zinc-Nitrate Battery

化学 过电位 沮丧的刘易斯对 法拉第效率 氨生产 电化学 产量(工程) 电池(电) 无机化学 路易斯酸 功率密度 制氢 化学工程 组合化学 动力学 生产率 纳米技术 电流密度 电催化剂 催化作用
作者
Shaoce Zhang,Dong Chen,Rong Zhang,Xinru Yang,Xintao Ma,Chuan Li,Huilin Cui,Zhiquan Wei,Yiqiao Wang,Peng Chen,Xun Guo,Shixun Wang,Johnny C. Ho,Ying Guo,Chunyi Zhi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (45): 41433-41442 被引量:17
标识
DOI:10.1021/jacs.5c11084
摘要

Cu-based electrocatalysts exhibit superior reduction kinetics in the electrochemical nitrate reduction reaction (NO 3 RR) and suppress competing hydrogen evolution reaction, making NO 3 RR an alternative to the traditional Haber–Bosch process in NH 3 production. However, the NO 3 RR in NH 3 production involves a nine-proton and eight-electron process, and its performance is constrained by the poor capacity to generate protons. In this study, frustrated Lewis pairs (FLPs) were introduced into Cu-based catalysts to create La-doped Cu 2 O, in which the FLPs [Cu–O–La–O v ] (where v denotes vacancy) formed by the Lewis acidic sites O v and Lewis basic sites O in the Cu–O–La motif served as active sites. These active sites facilitated H 2 O dissociation, providing ample protons for the NO 3 RR hydrogenation. The La 9 –CuO x catalyst exhibited an ultralow NH 3 production overpotential of only 290 mV, achieving an NH 3 current density of 1.76 A cm –2 at −0.4 V vs the reversible hydrogen electrode, with an NH 3 yield rate of 139.5 mg h –1 cm –2 and Faradaic efficiency of 98.9%. Due to the superior NO 3 RR performance of La 9 –CuO x, a La 9 –CuO x -based Zn-NO 3 – battery achieved a remarkable power density of 80.6 mW cm –2, with an NH 3 yield rate of 21.4 mg h –1 cm –2 . This study clarifies the role of FLPs in facilitating the NO 3 RR and achieves an efficient Zn-NO 3 – battery to accomplish electricity generation and NH 3 production simultaneously.
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