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N-doped bamboo-like carbon nanotube-encapsulated CuNi alloy to enrich nitrate and boost electrochemical ammonia synthesis

竹子 电化学 碳纳米管 合金 材料科学 兴奋剂 硝酸盐 氨生产 化学工程 纳米技术 纳米管 无机化学 化学 冶金 有机化学 复合材料 电极 物理化学 光电子学 工程类
作者
Guorong Jia,Yuanqing Sun,Peilin Liu,Jiaqing Luo,Peng Zhang,Yuechang Wei,Weiyu Song,Zhenxing Li,Zhen Zhao,Jian Liu
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:18 (4): 94907265-94907265 被引量:6
标识
DOI:10.26599/nr.2025.94907265
摘要

Ammonia plays an irreplaceable role in agricultural production and also is an important chemical raw material and energy carrier. Developing a catalyst for the electrochemical NO3 reduction reaction (NO3RR) to synthesize ammonia is crucial for energy, food security and pollution control. Herein, by adjusting the Cu/Ni ratio, we report a simple impregnation and calcination method to synthesize a N-doped bamboo-like carbon nanotube (CNT)-encapsulated CuNi alloy catalyst (Cu7Ni3-CNT). Cu7Ni3-CNT reveals an excellent ammonia synthesis performance, which has the highest Faraday efficiency (FE, 99.18%) at −0.8 V vs. reversible hydrogen electrode (RHE), along with an ammonia production rate of 20.90 mg·cm−2·h−1. In addition, the highest ammonia production rate of Cu7Ni3-CNT can reach 23.21 mg·cm−2·h−1, with a high FE (90.80%) at −1.0 V vs. RHE. At the same time, the electrocatalyst displays exceptional stability, which can operate steadily for 400 h at 300 mA·cm−2. The high catalytic activity and excellent stability derive from catalyst structure and the synergistic effect between Cu7Ni3 alloy and encapsulating bamboo-like CNT. The incorporation of Ni enhances the intrinsic activity of Cu for NO3RR. CNT endows the catalyst with a larger specific surface area, more exposed active sites to further improve the apparent activity, and higher stability. The internal cavity of CNT also contributes to the enrichment of nitrate. Furthermore, in-situ Raman spectroscopy and density functional theory (DFT) calculations reveal that Cu in the alloy can effectively adjust the adsorption energy of *NO3 by Ni element and increase the activity of *H as the reduction driving force, thereby improving the intrinsic activity of NO3RR.
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