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Interfacial Water Regulation for Nitrate Electroreduction to Ammonia at Ultralow Overpotentials

材料科学 硝酸盐 电催化剂 法拉第效率 无机化学 氨生产 电化学 化学工程 电极 有机化学 化学 物理化学 工程类
作者
Yuchi Wan,Maojun Pei,Yixiang Tang,Yao Liu,Wei Yan,Jiujun Zhang,Ruitao Lv
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (8): e2417696-e2417696 被引量:129
标识
DOI:10.1002/adma.202417696
摘要

Nitrate electroreduction is promising for achieving effluent waste-water treatment and ammonia production with respect to the global nitrogen balance. However, due to the impeded hydrogenation process, high overpotentials need to be surmounted during nitrate electroreduction, causing intensive energy consumption. Herein, a hydroxide regulation strategy is developed to optimize the interfacial H2O behavior for accelerating the hydrogenation conversion of nitrate to ammonia at ultralow overpotentials. The well-designed Ru─Ni(OH)2 electrocatalyst shows a remarkable energy efficiency of 44.6% at +0.1 V versus RHE and a nearly 100% Faradaic efficiency for NH3 synthesis at 0 V versus RHE. In situ characterizations and theoretical calculations indicate that Ni(OH)2 can regulate the interfacial H2O structure with a promoted H2O dissociation process and contribute to the spontaneous hydrogen spillover process for boosting NO3 - electroreduction to NH3 at Ru sites. Furthermore, the assembled rechargeable Zn-NO3 -/ethanol battery system exhibits an outstanding long-term cycling stability during the charge-discharge tests with the production of high-value-added ammonium acetate, showing great potential for simultaneously achieving nitrate removal, energy conversion, and chemical synthesis. This work can not only provide a guidance for interfacial H2O regulation in extensive hydrogenation reactions but also inspire the design of a novel hybrid flow battery with multiple functions.
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