Governing Interlayer Strain in Bismuth Nanocrystals for Efficient Ammonia Electrosynthesis from Nitrate Reduction

电合成 电催化剂 氨生产 材料科学 亚硝酸盐 化学工程 法拉第效率 电化学 纳米晶 无机化学 硝酸盐 化学 纳米技术 物理化学 有机化学 电极 工程类
作者
Ning Zhang,Jian Ku Shang,Xi Deng,Lejuan Cai,Ran Long,Yujie Xiong,Yang Chai
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (3): 4795-4804 被引量:138
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c00101
摘要

Electrochemical ammonia (NH3) synthesis from nitrate (NO3-) reduction offers an intriguing approach for both sustainable ammonia synthesis and environmental denitrification, yet it remains hindered by a complicated reaction pathway with various intermediates. Here we present that the interlayer strain compression in bismuth (Bi) nanocrystals can contribute to both activity and selectivity improvement toward NH3 electrosynthesis from NO3- reduction. By virtue of comprehensive spectroscopic studies and theoretical calculations, we untangle that the interlayer lattice compression shortens Bi-Bi bond to broaden the 6p bandwidth for electron delocalization, promoting the chemical affinities of nitrogen intermediates. Such a manipulation facilitates NO3- activation to reduce the energy barrier for activity improvement, and also alleviates *NO2 desorption to suppress nitrite generation. As a result, a strain-compressive Bi electrocatalyst yields a maximal Faradaic efficiency of 90.6% and high generation rate of 46.5 g h-1 gcat-1 with industrially scalable partial current density up to 300 mA cm-2 for NH3 product at the optimized conditions, respectively.
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