Engineering a Kesterite‐Based Photocathode for Photoelectrochemical Ammonia Synthesis from NOx Reduction

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作者
Shujie Zhou,Kaiwen Sun,Cui Ying Toe,Jun Yin,Jialiang Huang,Yiyu Zeng,Doudou Zhang,Weijian Chen,Omar F. Mohammed,Xiaojing Hao,Rose Amal
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (29) 被引量:16
标识
DOI:10.1002/adma.202201670
摘要

Abstract Ammonia is a key chemical feedstock for industry as well as future carbon‐free fuel and transportable vector for renewable energy. Photoelectrochemical (PEC) ammonia synthesis from NO x reduction reaction (NO x RR) provides not only a promising alternative to the energy‐intensive Haber–Bosch process through direct solar‐to‐ammonia conversion, but a sustainable solution for balancing the global nitrogen cycle by restoring ammonia from wastewater. In this work, selective ammonia synthesis from PEC NO x RR by a kesterite (Cu 2 ZnSnS 4 [CZTS]) photocathode through loading defect‐engineered TiO x cocatalyst on a CdS/CZTS photocathode (TiO x /CdS/CZTS) is demonstrated. The uniquely designed photocathode enables selective ammonia production from NO x RR, yielding up to 89.1% Faradaic efficiency (FE) (0.1 V vs reversible hydrogen electrode (RHE)) with a remarkable positive onset potential (0.38 V vs RHE). By tailoring the amount of surface defective Ti 3+ species, the adsorption of reactant NO 3 − and * NO 2 intermediate is significantly promoted while the full coverage of TiO x also suppresses NO 2 − liberation as a by‐product, contributing to high ammonia selectivity. Further attempts on PEC ammonia synthesis from simulated wastewater show good FE of 64.9%, unveiling the potential of using the kesterite‐based photocathode for sustainably restoring ammonia from nitrate‐rich wastewater.
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