Electrocatalytic Reduction of Nitrate to Ammonia via a Au/Cu Single Atom Alloy Catalyst

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作者
Haibo Yin,Yue Peng,Junhua Li
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (8): 3134-3144 被引量:150
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c07968
摘要

Electrocatalytic ammonia (NH3) synthesis from the reduction of nitrate (NO3–) is one of the effective and mild methods to treat nitrogen-containing wastewater from stationary sources and to obtain NH3 readily compared with the Haber-Bosch process. However, the low efficiency of electrocatalytic NO3– reduction to NH3 on traditional Cu-based catalysts hinders their practical application. Here, we prepare a Au/Cu single atom (SA) alloy (Au/Cu SAA) that shows a high performance of NH3 synthesis with 99.69% Faradaic efficiency at −0.80 V vs RHE. The structures of Au SAs and alloyed Au/Cu are confirmed by the detailed characterizations. Online differential electrochemical mass spectrometry confirms the occurrence of key reaction intermediates (*NO2, *NO, and *NH3). Density functional theory calculations demonstrate that Au SAs efficiently reduce the adsorption energy of *NO3–, and the newly formed Au–Cu bonds boost the reduction process of *NO2 to *NO. Meanwhile, Au/Cu SAAs produce significantly less N2 and N2O byproducts due to the prohibition of N–N coupling on single atoms, which finally leads to excellent Faradaic efficiency and NH3 selectivity.
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