Dynamic catalytic interface driven three-step synergistic mechanism for boosting ammonia and hydroxylamine synthesis

催化作用 羟胺 化学工程 材料科学 化学 机制(生物学) 氨生产 硝酸盐 串联 电合成 反应机理 过程(计算) 制氢 纳米技术 产量(工程) 催化效率 过氧化氢
作者
Yuxiang Li,Junliang Xie,Tingyi Weng,Zhenjie Lu,Xing Yan,Ying Liu,S Hücümenog ̆ lu,Shengli Zhang,Huan Chen,Fang Jiang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-75665-7
摘要

Despite the short-term industrial landscape remaining unchanged, green synthesis technologies for ammonia (NH3) and hydroxylamine (NH2OH) are critical for carbon neutrality. Alternatively, electrocatalytic nitrate reduction (NIRR) can be integrated with membrane separation technology via a modular design, simultaneously achieving pollution control and resource recovery. However, the microscopic mechanism of NIRR remains ambiguous given the complex dynamic catalytic interface, hindering advanced catalyst development. Here, we propose a three-step synergistic mechanism at dynamic catalytic interface, which integrates interfacial microenvironment regulation, OH species cycle, and reverse hydrogen spillover for efficient NH3 and NH2OH synthesis across different scenarios. Notably, dual-site heterostructure catalyst exhibits almost 100% NH3-Faradaic Efficiency (FENH3) across a wide nitrate concentration range, reaching a maximum NH3 yield of 10.27 mmol h−1 cm−2. The simultaneous NH3 synthesis-recovery system maintains almost 100% FENH3 and NH3 recovery efficiency over 120 h, accompanied by long-term durability and negligible performance degradation. Additionally, cyclopentanone-mediated NIRR process delivers a satisfactory NH2OH-Faradaic Efficiency (83.48%), and the assembled zinc-nitrate battery achieves a high peak power density (57.6 mW cm−2). The microscopic mechanism of nitrate-to-ammonia electrosynthesis remains ambiguous given the complex dynamic catalytic interface. Here, the authors report a three-step synergistic mechanism that enhances the interaction among interfacial H2O transport, *H generation, and *NOx hydrogenation.
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