Highly Efficient Electroenzymatic Cascade Reduction Reaction For The Conversion of Nitrite to Ammonia

法拉第效率 催化作用 电化学 材料科学 亚硝酸盐 生物结合 无机化学 产量(工程) 化学 电极 纳米技术 有机化学 物理化学 冶金 硝酸盐
作者
Xuefang Zhu,Xing Fan,Haiping Lin,Shu-Ni Li,Quan‐Guo Zhai,Yu‐Cheng Jiang,Yu Chen
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (20) 被引量:40
标识
DOI:10.1002/aenm.202300669
摘要

Abstract The electrochemical nitrite reduction reaction provides an alternative approach to offer sustainable ammonia source routes for repairing imbalances in the global nitrogen cycle. In this work, electrocatalysis is combined with enzymatic catalysis to provide an efficient and clean process for recoverable ammonia production. NO 2 − is reduced to NH 3 by electroenzymatic cascade reduction reaction on a bioconjugate, in which 1‐butyl‐3‐methylimidazolium bromide (IL BMB ) modified chloroperoxidase (CPO) is fixed on polyethyleneimine (PEI) modified multi‐walled carbon nanotubes (MWCNT) to from bioconjugate (CPO‐IL BMB /MWCNT‐PEI). 15 N and 14 N isotope labeling reveal that the NH 3 species is derived from NO 2 − reduction. Density functional theory calculations identify that the Fe II species in heme center of CPO serve as the key active site for NO 2 − reduction. The amino groups derived from MWCNT‐PEI not only serve as a bridge to covalently immobilize CPO but also enrich the NO 2 − ion at electrode/solution interface through electrostatic interactions. The low energy barrier of NO 2 − reduction and low adsorption free energy of the intermediate result in high Faradaic efficiency (96.4%), NH 3 yield (112.7 mg h −1 mg CPO −1 ), and high selectivity in pH 5.0 solution. The highly efficient electroenzymatic reaction ensurespromising applications in the conversion of NO 2 − to NH 3 .
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