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Sustainable Synthesis of Ammonium Nitrate From Air and Water via Tandem Plasma‐Electrolyzer System

化学 催化作用 无机化学 串联 硝酸盐 产量(工程) 亚硝酸盐 氮气 硝酸铵 氢 铵 氨 肥料 吸附 氢溢流 制氢 氨生产 磷酸盐 碳纤维 二氧化碳 电化学 氧化还原 阴极 可逆氢电极 法拉第效率
作者
Qiuhong Sun,Yao Xue,Hao Niu,Yang Li,Wenjing Dong,G A Waterhouse,Xiao‐Jue Bai,Zhiyong Tang,Yufei Zhao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e3006166-e3006166
标识
DOI:10.1002/anie.3006166
摘要

ABSTRACT Ammonium nitrate (NH 4 NO 3 ) is an indispensable high‐nitrogen fertilizer, yet its conventional industrial production via the energy‐intensive Haber–Bosch and Ostwald processes accounts for a significant global carbon footprint. Herein, we report an alternative method for directly synthesizing NH 4 NO 3 from air and water by integrating plasma‐assisted nitrogen oxidation (pNOR) with paired electrocatalytic nitrite reduction and oxidation (eNO 2 – RR/eNO 2 – OR) in a neutral medium (0.5 M phosphate buffer solution). Key to this technology is the rational design of a Co 3wt% Cu@C cathode catalyst for the critical eNO 2 – RR step, which operates via a dual‐active‐site mechanism: Cu sites adsorb and activate NO 2 – , while adjacent Co sites efficiently dissociate water to generate reactive hydrogen species (*H). Subsequent hydrogen spillover from Co to Cu sites dramatically accelerates NO 2 – hydrogenation to NH 4 + , achieving almost 100% Faradaic efficiency toward NH 3 and a high NH 4 + yield rate of 512 µmol cm −2 h −1 at a low potential of –0.5 V vs. RHE. The integrated pNOR‐eNO 2 – RR/eNO 2 – OR system operates stably over 210 h (affording 8.5 mmol h −1 NH 4 NO 3 ) with significant techno‐economic advantages. Further, the obtained NH 4 NO 3 solutions can serve as N‐P‐K fertilizer for plant growth, offering a route to on‐demand, on‐site fertilizer synthesis from air and water for smart agriculture.
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