Sustainable Nitrogen Fixation to Produce Ammonia by Electroreduction of Plasma-Generated Nitrite

化学 催化作用 氮氧化物 电催化剂 双功能 亚硝酸盐 电解质 无机化学 电极 硝酸盐 有机化学 燃烧 电化学 物理化学
作者
Wenyi Li,Shengbo Zhang,Jun Ding,Jiafang Liu,Zhiwei Wang,Haimin Zhang,Jun Ding,Longwei Chen,Changhao Liang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:11 (3): 1168-1177 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.2c06525
摘要

One-step electrocatalytic N2 fixation is of emerging interest but is retarded due to the tough dissociation of the N2 triple bond and low NH3 selectivity. Here, a plasma-electrocatalytic integrated strategy is reported to be effective to circumvent this dilemma and realize high-performance N2 fixation via decoupling the reaction to two steps with NOx– serving as an intermediary: (i) non-thermal plasma (NTP) drives air activation into highly active NOx– intermediates, and (ii) subsequent electroreduction of the resultant NOx– into NH3. A gliding arc–microwave conjunction plasma mode was found to be preferred to achieve an optimal NO2–-N concentration of 2844.31 μg mL–1, adopting 0.5 M KOH as the absorption solution in the first step. For the next ENO2–RR step, plasma-treated 0.5 M KOH was directly used as electrolyte, with well-designed Cu2Pd nanodots anchored on carbonized bacterial cellulose (Cu2Pd/CBC) as electrocatalyst. An exceptional ENO2–RR performance, including a superior RNH3 of 1956.65 μg h–1 mg–1, highest FE of 93.79%, and long time stability of 30 h, was attained for Cu2Pd/CBC, outperforming the counterparts Cu/CBC and Pd/CBC. The synergism of CuPd bifunctional catalytic sites is the key to the greatly enhanced electrocatalytic activity via improving the adsorption of NO2– and the related intermediates while simultaneously supplying sufficient protons. This work provides an alternative strategy toward sustainable and distributed on-site ammonia synthesis.
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