Mechanistic Insights into a Synergistic FeO x /Fe‐N 4 System for Practical Nitrate Abatement with Value‐Added Ammonia Recovery

催化作用 密度泛函理论 硝酸盐 材料科学 反应机理 电化学 产量(工程) 法拉第效率 氨生产 化学工程 纳米颗粒 串联 环境修复 氧化还原 无机化学 工作(物理) 纳米技术 动能 反应速率 废水 机制(生物学) 反应中间体 化学 可持续能源 电流密度 选择性催化还原 化学动力学 零价铁 反应条件 环境化学
作者
Qiang Zhou,Hongzhi Liu,Shenglin Liu,Yuwei Liu,Mamiko Nakabayashi,Yunlong Xie,N. Shibata,Fengqiang Gong,Jean‐Jacques Delaunay
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (27)
标识
DOI:10.1002/adfm.202526110
摘要

Abstract Electrochemical nitrate reduction reaction (NO 3 RR) offers a promising route for sustainable wastewater remediation and NH 3 recovery. However, elucidating the intricate reaction mechanism and designing robust catalysts remain significant challenges. Herein, constant‐potential density functional theory calculations are employed to investigate the catalytic properties of iron oxides (FeO x ), a promising class of NO 3 RR catalysts. This theoretical results identify Fe 3 O 4 as the most active phase, exhibiting low energy barrier and accelerated kinetic for NO 3 − conversion, while encountering undesired NO 2 − accumulation due to relatively high *NO 2 hydrogenation barrier. To tackle this problem, a synergistic Fe 3 O 4 /Fe‐N 4 ‐C system is rationally designed, where Fe‐N 4 site can efficiently reduce desorbed NO 2 − to NH 3 . To validate the theoretical findings, tandem catalyst designated as FeO x /Fe SA is synthesized, featuring Fe@Fe 3 O 4 nanoparticles adjacent to Fe‐N 4 single‐atom sites and exhibiting exceptional NO 3 RR performance with NH 3 Faradaic efficiency (FE) of 99.6% and yield rate of 31.8 mg h −1 mg cat −1 at −0.8 V versus RHE. Moreover, FeO x /Fe SA achieves a high current density of 400 mA cm −2 and FE exceeding 90% across a wide potential window, broad pH ranges, and varying NO 3 − concentrations. This work provides crucial insights into the NO 3 RR mechanism and outlines a clear strategy for the rational design of high‐performance, synergistic multi‐site catalysts.
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