Au nanoclusters anchored on TiO2 nanosheets for high-efficiency electroreduction of nitrate to ammonia

纳米团簇 催化作用 材料科学 贵金属 硝酸盐 电合成 阴极 过渡金属 产量(工程) 吸附 无机化学 金属 化学工程 电化学 纳米技术 化学 冶金 物理化学 有机化学 电极 工程类
作者
Miaosen Yang,Tianran Wei,Jia He,Qian Liu,Ligang Feng,Hongyi Li,Jun Luo,Xijun Liu
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:17 (3): 1209-1216 被引量:76
标识
DOI:10.1007/s12274-023-5997-z
摘要

Electrocatalytic nitrate reduction reaction (NO3RR) offers a unique rationale for green NH3 synthesis, yet the lack of high-efficiency NO3RR catalysts remains a great challenge. In this work, we show that Au nanoclusters anchored on TiO2 nanosheets can efficiently catalyze the conversion of NO3RR-to-NH3 under ambient conditions, achieving a maximal Faradic efficiency of 91%, a peak yield rate of 1923 µg·h−1·mgcat.−1, and high durability over 10 consecutive cycles, all of which are comparable to the recently reported metrics (including transition metal and noble metal-based catalysts) and exceed those of pristine TiO2. Moreover, a galvanic Zn-nitrate battery using the catalyst as the cathode was proposed, which shows a power density of 3.62 mW·cm−2 and a yield rate of 452 µg·h−1·mgcat.−1. Theoretical simulations further indicate that the atomically dispersed Au clusters can promote the adsorption and activation of NO3− species, and reduce the NO3RR-to-NH3 barrier, thus leading to an accelerated cathodic reaction. This work highlights the importance of metal clusters for the NH3 electrosynthesis and nitrate removal.
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