Enhanced Nitrate Reduction Activity from Cu-Alloy Electrodes in an Alkaline Electrolyte

过电位 催化作用 电化学 无机化学 电解质 化学 合金 氧化态 硝酸盐 氧化还原 氨生产 电极 物理化学 有机化学 生物化学
作者
Akhil Paliwal,Christopher D. Bandas,Eric S. Thornburg,Richard T. Haasch,Andrew A. Gewirth
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (10): 6754-6762 被引量:78
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c00999
摘要

The electrochemical nitrate reduction reaction (NO3–RR) offers two-fold advantages─restoring balance to the global nitrogen cycle and a less energy intensive pathway to the production of ammonia. We report the results of voltammetric and spectroscopic measurements examining NO3–RR on Cu and Cu-alloyed electrodes (CuAg, CuSn, and CuPt) in an alkaline medium. Electrochemical results demonstrate that the overpotential for the NO3–RR is ∼120 mV less on the CuAg catalyst as compared to the Cu-only catalyst. In situ surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) obtained from these two Cu samples shows that the presence of dilute Ag maintains the Cu surface in a more reduced state (Cu(I)) during the course of NO3–RR, while the neat Cu surface is heavily oxidized during NO3–RR in an alkaline medium. Consistent with this behavior, the CuSn alloy also stabilizes Cu(I) on the electrode surface and results in increased NO3–RR rates. Alternatively, the CuPt alloy does not yield a stabilized Cu(I) component and consequently results in NO3–RR rates lower than those for neat Cu. These results indicate that alloying Cu with different metals can tune the nitrate reduction activity by making the Cu atoms more resistant to oxidation to Cu(II) and stabilizing the Cu atoms in lower oxidation states.
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