Electrocatalytic Nitrate and Nitrite Reduction toward Ammonia Using Cu2O Nanocubes: Active Species and Reaction Mechanisms

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作者
Lichen Bai,Federico Franco,Janis Timoshenko,Clara Rettenmaier,Fabian Scholten,Hyo Sang Jeon,Aram Yoon,Martina Rüscher,Antonia Herzog,Felix T. Haase,Stefanie Kühl,See Wee Chee,Arno Bergmann,Beatriz Roldán Cuenya
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (14): 9665-9678 被引量:312
标识
DOI:10.1021/jacs.3c13288
摘要

The electrochemical reduction of nitrate (NO3-) and nitrite (NO2-) enables sustainable, carbon-neutral, and decentralized routes to produce ammonia (NH3). Copper-based materials are promising electrocatalysts for NOx- conversion to NH3. However, the underlying reaction mechanisms and the role of different Cu species during the catalytic process are still poorly understood. Herein, by combining quasi in situ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and operando X-ray absorption spectroscopy (XAS), we unveiled that Cu is mostly in metallic form during the highly selective reduction of NO3-/NO2- to NH3. On the contrary, Cu(I) species are predominant in a potential region where the two-electron reduction of NO3- to NO2- is the major reaction. Electrokinetic analysis and in situ Raman spectroscopy was also used to propose possible steps and intermediates leading to NO2- and NH3, respectively. This work establishes a correlation between the catalytic performance and the dynamic changes of the chemical state of Cu, and provides crucial mechanistic insights into the pathways for NO3-/NO2- electrocatalytic reduction.
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