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

电催化剂 原位 硝酸盐 星团(航天器) 氨生产 无机化学 材料科学 化学 环境化学 纳米技术 电化学 电极 冶金 有机化学 物理化学 程序设计语言 计算机科学
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:14
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 (Cu1/hNCNC) for nitrate electroreduction, which achieves an ultrahigh ammonia yield rate (YRNH3) of 99.4 mol h–1 gCu–1 (2.30 mol h–1 gcat.–1) with ammonia Faradaic efficiency (FENH3) 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 YRNH3 and FENH3 due to the enhanced NO3– adsorption and subsequent protonation on the unique Cu3–N4 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 N2 oxidization and nitrate electroreduction cascade reaction manifests the great potential of the Cu1/hNCNC electrocatalyst in sustainable NH3 synthesis. These findings offer valuable insights into the design of effective catalysts for electrosynthetic reactions.
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