A High Power Density Zn‐Nitrate Electrochemical Cell Based on Theoretically Screened Catalysts

材料科学 过电位 催化作用 电化学 硝酸盐 阴极 电池(电) 电化学电池 无机化学 太阳能电池 化学工程 电极 化学 光电子学 有机化学 物理化学 功率(物理) 物理 工程类 量子力学
作者
Wan Lin,Enbo Zhou,Jiafang Xie,Jing Lin,Yaobing Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (46) 被引量:42
标识
DOI:10.1002/adfm.202209464
摘要

Abstract Designing artificial nitrogen fixing devices with functions of light energy adsorption and driven nitrogen species upgrade and oxygen evolution is highly attractive. However, advanced catalytic materials for key NO 3 ‐ ‐to‐NH 4 + and OH ‐ ‐to‐O 2 reactions are rather rare. Herein, first principle calculations are performed to pre‐screen target catalysts and then the effective catalyst in the experiment is successfully prepared, with which, a high power density Zn‐nitrate electrochemical cell is demonstrated. The cathode catalyst can promote both reductive NO 3 ‐ ‐to‐NH 4 + and oxidative OH ‐ ‐to‐O 2 reactions in low‐overpotential pathways, contributing to the total battery reaction: NO 3 ‐ + 3H 2 O → NH 4 + + 2OH ‐ + 2O 2 . The resulting electrochemical cell shows over 90% NO 3 ‐ ‐to‐NH 4 + selectivity, a high power density over 25 mW cm ‐2 , and stable 35 h cycling at 12.5 mA cm ‐2 . Moreover, this Zn‐nitrate electrochemical cell can work driven by the photovoltaic cell with the solar‐to‐NH 3 efficiency up to 19.5%. This study demonstrates a theoretically screened catalyst realizing a photovoltaic driven high‐rate Zn‐nitrate electrochemical cell system, which mimics soybean system upgrading N species and producing oxygen.
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