Efficient Nitrate Synthesis via Ambient Nitrogen Oxidation with Ru‐Doped TiO2/RuO2 Electrocatalysts

催化作用 无机化学 电化学 材料科学 氮气 硝酸盐 兴奋剂 电催化剂 化学工程 纳米技术 化学 物理化学 电极 有机化学 工程类 光电子学
作者
Min Kuang,Yu Wang,Wei Fang,Huiteng Tan,Mengxin Chen,Jiandong Yao,Chuntai Liu,Jianwei Xu,Kun Zhou,Qingyu Yan
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (26): e2002189-e2002189 被引量:229
标识
DOI:10.1002/adma.202002189
摘要

Abstract A facile pathway of the electrocatalytic nitrogen oxidation reaction (NOR) to nitrate is proposed, and Ru‐doped TiO 2 /RuO 2 (abbreviated as Ru/TiO 2 ) as a proof‐of‐concept catalyst is employed accordingly. Density functional theory (DFT) calculations suggest that Ru δ + can function as the main active center for the NOR process. Remarkably doping Ru into the TiO 2 lattice can induce an upshift of the d‐band center of the Ru site, resulting in enhanced activity for accelerating electrochemical conversion of inert N 2 to active NO*. Overdoping of Ru ions will lead to the formation of additional RuO 2 on the TiO 2 surface, which provides oxygen evolution reaction (OER) active sites for promoting the redox transformation of the NO* intermediate to nitrate. However, too much RuO 2 in the catalyst is detrimental to both the selectivity of the NOR and the Faradaic efficiency due to the dominant OER process. Experimentally, a considerable nitrate yield rate of 161.9 µmol h −1 g cat −1 (besides, a total nitrate yield of 47.9 µg during 50 h) and a highest nitrate Faradaic efficiency of 26.1% are achieved by the Ru/TiO 2 catalyst (with the hybrid composition of Ru x Ti y O 2 and extra RuO 2 by 2.79 wt% Ru addition amount) in 0.1 m Na 2 SO 4 electrolyte.
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