Engineering the Co(II)/Co(III) Redox Cycle and Coδ+ Species Shuttle for Nitrate-to-Ammonia Conversion

催化作用 硝酸盐 电化学 氧化还原 氨生产 化学 溶解 无机化学 浸出(土壤学) 可逆氢电极 电极 化学工程 工作电极 有机化学 生物化学 环境科学 物理化学 土壤科学 工程类 土壤水分
作者
Yongguang Bu,Wenjing Yu,Wenkai Zhang,Chao Wang,Jie Ding,Guandao Gao
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:24 (9): 2812-2820 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04920
摘要

Electroreduction of waste nitrate to valuable ammonia offers a green solution for environmental restoration and energy storage. However, the electrochemical self-reconstruction of catalysts remains a huge challenge in terms of maintaining their stability, achieving the desired active sites, and managing metal leaching. Herein, we present an electrical pulse-driven Co surface reconstruction-coupled Coδ+ shuttle strategy for the precise in situ regulation of the Co(II)/Co(III) redox cycle on the Co-based working electrode and guiding the dissolution and redeposition of Co-based particles on the counter electrode. As result, the ammonia synthesis performance and stability are significantly promoted while cathodic hydrogen evolution and anodic ammonia oxidation in a membrane-free configuration are effectively blocked. A high rate of ammonia production of 1.4 ± 0.03 mmol cm-2 h-1 is achieved at -0.8 V in a pulsed system, and the corresponding nitrate-to-ammonia Faraday efficiency is 91.7 ± 1.0%. This work holds promise for the regulation of catalyst reactivity and selectivity by engineering in situ controllable structural and chemical transformations.
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