Highly Accessible Electrocatalyst with In Situ Formed Copper-Cluster Active Sites for Enhanced Nitrate-to-Ammonia Conversion

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作者
Zhen Shen,Fengfei Xu,Xueyi Cheng,Jietao Jiang,Changkai Zhou,Yu Zeng,Xizhang Wang,Lijun Yang,Qiang Wu,Zheng Hu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (4): 4611-4621 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c14802
摘要

Ammonia synthesis via nitrate electroreduction is more attractive and sustainable than the energy-extensive Haber–Bosch process and intrinsically sluggish nitrogen electroreduction. Herein, we have designed a single-site Cu catalyst on hierarchical nitrogen-doped carbon nanocage support (Cu 1 /hNCNC) for nitrate electroreduction, which achieves an ultrahigh ammonia yield rate (YR NH3 ) of 99.4 mol h –1 g Cu –1 (2.30 mol h –1 g cat. –1 ) with ammonia Faradaic efficiency (FE NH3 ) of 99.3%, far beyond the most reported single-site catalysts on carbon-based supports. The combined operando characterization and theoretical studies indicate that the in situ formed Cu-cluster active sites are responsible for the high YR NH3 and FE NH3 due to the enhanced NO 3 – adsorption and subsequent protonation on the unique Cu 3 –N 4 moieties, and meanwhile, the hierarchical hNCNC support facilitates the mass/charge transfer kinetics, thus promoting the high expression of intrinsic activity. The demonstration of plasma N 2 oxidization and nitrate electroreduction cascade reaction manifests the great potential of the Cu 1 /hNCNC electrocatalyst in sustainable NH 3 synthesis. These findings offer valuable insights into the design of effective catalysts for electrosynthetic reactions.
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