Development of a Mechanically Flexible 2D-MXene Membrane Cathode for Selective Electrochemical Reduction of Nitrate to N 2 : Mechanisms and Implications

阴极 电化学 还原(数学) 材料科学 纳米技术 电极 化学 硝酸盐 化学工程 工程类 有机化学 物理化学 数学 几何学 生物化学
作者
Yang Li,Jinxing Ma,T. David Waite,Michael R. Hoffmann,Zhiwei Wang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (15): 10695-10703 被引量:124
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c00264
摘要

The contamination of water resources by nitrate is a major problem. Herein, we report a mechanically flexible 2D-MXene (Ti 3 C 2 T x ) membrane with multilayered nanofluidic channels for a selective electrochemical reduction of nitrate to nitrogen gas (N 2 ). At a low applied potential of −0.8 V (vs Ag/AgCl), the MXene electrochemical membrane was found to exhibit high selectivity for NO 3 – reduction to N 2 (82.8%) due to a relatively low desorption energy barrier for the release of adsorbed N 2 (*N 2 ) compared to that for the adsorbed NH 3 (*NH 3 ) based on density functional theory (DFT) calculations. Long-term use of the MXene membrane for treating 10 mg-NO 3 -N L –1 in water was found to have a high faradic efficiency of 72.6% for NO 3 – reduction to N 2 at a very low electrical cost of 0.28 kWh m –3 . Results of theoretical calculations and experimental results showed that defects on the MXene nanosheet surfaces played an important role in achieving high activity, primarily at the low-coordinated Ti sites. Water flowing through the MXene nanosheets facilitated the mass transfer of nitrate onto the low-coordinated Ti sites with this enhancement of particular importance under cathodic polarization of the MXene membrane. This study provides insight into the tailoring of nanoengineered materials for practical application in water treatment and environmental remediation.
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