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Multisite (Cu 0 /Cu + /Cu 2+ –Fe) Interfaces Enhance Nitrate Adsorption and Active Hydrogen Utilization for Ammonia Electrosynthesis from Neutral Nitrate

催化作用 化学 无机化学 电催化剂 吸附 电化学 电合成 氨生产 选择性 氧化物 硝酸盐 离解(化学) 产量(工程) 法拉第效率 铂金 选择性催化还原 化学工程 电解水 多相催化 亚硝酸盐 双功能催化剂 水溶液 反硝化 可逆氢电极 反应速率 速率决定步骤
作者
Danping Li,Tongde Wang,Guohua Gao,Han Wang,Lingfeng Ni,yayi wang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (2): 2219-2232 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c13909
摘要

The electroreduction of hazardous nitrate (NO 3 – ) to valuable ammonia (NH 3 ) represents a sustainable approach to environmental remediation and nitrogen recovery. However, most catalysts exhibit undesirable NH 3 yield rates and poor Faradaic efficiency (FE) for the NO 3 – reduction reaction (NO 3 RR) in near-neutral and low-concentration NO 3 – environments. Herein, the Fe-doped multivalent copper oxide (Cu x O–Fe) was prepared to construct multisite interfaces that promote NO 3 – adsorption and H 2 O dissociation-protonation processes. The Cu x O–Fe catalyst achieves a superior NH 3 yield rate of 3.5 mg·h –1 ·mg cat –1 (3.9 mg·h –1 ·cm –2 ), an excellent FE of 97.7%, and a NH 3 selectivity of 98.7%, outperforming Fe oxide nanoparticle-decorated Cu x O (Cu x O–FeO y NPs) (1.9 mg·h –1 ·mg cat –1, 84.7%, and 98.2%) and most of the reported catalysts in the 50–200 ppm of NO 3 – electrolytes. The comprehensive in situ characterizations and theoretical calculations reveal that Fe doping modulates the electronic structure and charge distribution of multivalent Cu x O, achieving a high-rate NH 3 synthesis by lowering *NO hydrogenation energy barriers and accelerating N–O bond cleavage. The NO 3 RR (Cu sites of CuO–Fe) and H 2 O dissociation (Fe sites of Cu–Fe) primarily occur at different active sites, favoring abundant NO 3 – activation and *H utilization noncompetitively. Especially, a high performance of the Cu x O–Fe electrocatalyst in both actual surface water (NH 3 selectivity >94.3%) and complex landfill leachate (92.6% of maximum NH 3 selectivity) was achieved, demonstrating its promising practical application potential. This work paves an avenue for synthesizing high-activity and selective catalysts with multisite interfaces for advanced and scalable electrochemical applications.
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