Near-Unity Nitrate to Ammonia conversion via reactant enrichment at the solid-liquid interface

电解质 法拉第效率 电极 离子 氨生产 催化作用 阴极 化学 材料科学 化学工程 分析化学(期刊) 无机化学 物理化学 有机化学 工程类 生物化学 色谱法
作者
Wanru Liao,Jun Wang,Yao Tan,Xin Zi,Changxu Liu,Qiyou Wang,Li Zhu,Cheng‐Wei Kao,Ting‐Shan Chan,Hongmei Li,Yali Zhang,Kang Liu,Chao Cai,Junwei Fu,B. Xi,Emiliano Cortés,Liyuan Chai,Min Liu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-025-60671-y
摘要

Abstract Electroreduction of nitrate (NO 3 ‒ ) to ammonia (NH 3 ) is a promising approach for addressing energy challenges. However, the activity is limited by NO 3 ‒ mass transfer, particularly at reduction potential, where an abundance of electrons on the cathode surface repels NO 3 ‒ from the inner Helmholtz plane (IHP). This constraint becomes pronounced as NO 3 ‒ concentration decreases, impeding practical applications in the conversion of NO 3 ‒ -to-NH 3 . Herein, we propose a generic strategy of catalyst bandstructure engineering for the enrichment of negatively charged ions through solid-liquid (S-L) junction-mediated charge rearrangement within IHP. Specifically, during NO 3 ‒ reduction, the formation of S-L junction induces hole transfer from Ag-doped MoS 2 (Ag-MoS 2 ) to electrode/electrolyte interface, triggering abundant positive charges on the IHP to attract NO 3 ‒ . Thus, Ag-MoS 2 exhibits a ~ 28.6-fold NO 3 ‒ concentration in the IHP than the counterpart without junction, and achieves near-100% NH 3 Faradaic efficiency with an NH 3 yield rate of ~20 mg h ‒1 cm ‒2 under ultralow NO 3 ‒ concentrations.
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