Efficient co-production of ammonia and formic acid from nitrate and polyester via paired electrolysis

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作者
Mengmeng Du,Tao Sun,Xuyun Guo,Mingzhu Han,Yu Zhang,Wenxuan Chen,Minghui Han,Jing Ma,Wenfang Yuan,Chunyu Zhou,Valeria Nicolosi,Jian Ku Shang,Ning Zhang,Bocheng Qiu
出处
期刊:Materials horizons [Royal Society of Chemistry]
卷期号:12 (11): 3743-3751 被引量:14
标识
DOI:10.1039/d5mh00130g
摘要

Paired electrolysis, which integrates a productive cathodic reaction, such as the nitrate reduction reaction (NO3-RR) with selective oxidation at the anode, offers an intriguing way to maximize both atomic and energy efficiency. However, in a conventional design, the NO3-RR is often coupled with the anodic oxygen evolution reaction, leading to substantial energy consumption while yielding low-value oxygen. Here, we report a hybrid electrolysis system that combines cathodic reduction of nitrate to ammonia and anodic oxidation of polyethylene-terephthalate-derived ethylene glycol (EG) to formic acid (FA), utilizing oxygen-vacancy-rich (OV) Co3O4 and Cu doped Ni(OH)2 as the cathode and anode, respectively. Remarkably, this paired electrolysis system demonstrates a faradaic efficiency (FE) of 92% for cathodic ammonia production and a FE of 99% for anodic FA production, while reducing the cell voltage by 0.54 V compared to the conventional NO3-RR system at the same current density of 100 mA cm-2. Experimental investigations combined with theoretical calculations reveal that the OV introduction effectively addresses the insufficient NO3- adsorption and hydrogenation on bare Co3O4. Additionally, Cu incorporation increases the Ni-O covalency, resulting in an improved EG adsorption ability. This work presents a promising way for waste management via paired electrolysis.
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