Matched Kinetics Process Over Fe2O3‐Co/NiO Heterostructure Enables Highly Efficient Nitrate Electroreduction to Ammonia

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作者
Qiang Yang,Yongguang Bu,Shuailei Pu,Longgang Chu,Weifeng Huang,Xiangdong Zhu,Cun Liu,Guodong Fang,Peixin Cui,Dongmei Zhou,Yujun Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:136 (15)
标识
DOI:10.1002/ange.202400428
摘要

Abstract Tandem nitrate electroreduction reaction (NO 3 − RR) is a promising method for green ammonia (NH 3 ) synthesis. However, the mismatched kinetics processes between NO 3 − ‐to‐NO 2 − and NO 2 − ‐to‐NH 3 results in poor selectivity for NH 3 and excess NO 2 − evolution in electrolyte solution. Herein, a Ni 2+ substitution strategy for developing oxide heterostructure in Co/Fe layered double oxides (LDOs) was designed and employed as tandem electrocataltysts for NO 3 − RR. (Co 0.83 Ni 0.16 ) 2 Fe exhibited a high NH 3 yield rate of 50.4 mg ⋅ cm −2 ⋅ h −1 with a Faradaic efficiency of 97.8 % at −0.42 V vs. reversible hydrogen electrode (RHE) in a pulsed electrolysis test. By combining with in situ / operando characterization technologies and theoretical calculations, we observed the strong selectivity of NH 3 evolution over (Co 0.83 Ni 0.16 ) 2 Fe, with Ni playing a dual role in NO 3 − RR by i) modifying the electronic behavior of Co, and ii) serving as complementary site for active hydrogen (*H) supply. Therefore, the adsorption capacity of *NO 2 and its subsequent hydrogenation on the Co sites became more thermodynamically feasible. This study shows that Ni substitution promotes the kinetics of the NO 3 − RR and provides insights into the design of tandem electrocatalysts for NH 3 evolution.
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