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Ampere‐Level Membrane‐Free Bipolar Ammonia Electrosynthesis with Faradaic Efficiency Exceeding 100% on a Surface‐Reconstructed NiFe‐Hydroxide

电合成 法拉第效率 电化学 电催化剂 催化作用 氨生产 化学 析氧 材料科学 无机化学 化学工程 吸附 氢氧化物 可逆氢电极 分解水 解吸 产量(工程) 过电位 碳化物 纳米技术 过渡金属 电极 制氢
作者
Yimeng Cai,Yanghua Li,Hsiao‐Tsu Wang,Guangyu Chen,Y. A. Yang,Cheng‐You Lee,Chi‐Feng Lee,Shuwen Zhao,Linjie Zhang,Jing Mao,Lili Han
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.202521629
摘要

Abstract Awaking the force of materials for specific efficacy by precise electronic modulation remains a fundamental challenge in catalysis. Herein, we transform ordinary NiFe‐layered double hydroxide (NiFe‐LDH) into a high‐performance NO 3 − ‐to‐NH 3 electrocatalyst via cathodic electrochemical restructuring, which effectively induces oxygen vacancy (O v ) clusters preferentially localized around low‐valence Ni sites. The resultant restructured NiFe‐LDH (NiFe‐LDH‐R) demonstrates excellent concentration‐universal NH 3 electrosynthesis activity in 1 M KOH, notably sustaining high Faradaic efficiencies (FEs, 88.5%–95%) across a broad potential range and attaining an ampere‐level current density (−1.46 A cm −2 ) together with a remarkable yield rate of 104.1 mg NH3 h −1 cm −2 . In situ spectroscopic analyses reveal boosted hydrogenation kinetics and a thermodynamically favorable NOH pathway for NiFe‐LDH‐R, which is further decoded by theoretical calculations indicating that synergized O v /Fe and low‐valence Ni sites, respectively enhance NO 3 − adsorption and directional active hydrogen (*H) supply, thus streamlining overall energy barriers. Moreover, a new‐style membrane‐free bipolar electrosynthesis system is established, which enables unprecedent NH 3 FEs exceeding 100% and scalable NH 3 valorization into 4.1 g of methenamine. This study rekindles power of electrochemical restructuring in catalyst advance and pioneers a new paradigm for energy‐efficient electrochemical NH 3 production and fixation.
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