Proton-filtering covalent organic frameworks with superior nitrogen penetration flux promote ambient ammonia synthesis

氨生产 法拉第效率 催化作用 氮气 电化学 产量(工程) 共价有机骨架 化学 无机化学 化学工程 共价键 材料科学 电极 有机化学 物理化学 工程类 冶金
作者
Sisi Liu,Tao Qian,Mengfan Wang,Haoqing Ji,Xiaowei Shen,Chao Wang,Chenglin Yan
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:4 (4): 322-331 被引量:388
标识
DOI:10.1038/s41929-021-00599-w
摘要

The simultaneous achievement of both high ammonia yield and Faradaic efficiency in electrochemical nitrogen reduction is a long-sought-after goal. However, due to the strong competing hydrogen evolution and extremely low solubility of N2 in aqueous systems, thermodynamic modulation at the catalyst level is insufficient, leaving the current performance still far from practical application. Here, we rationally control the diffusion of the reactants to obtain suppressed proton supply and greatly enhanced nitrogen flux using proton-filtering covalent organic frameworks, forcing a highly selective and active nitrogen reduction. In this proof-of-concept system, we achieved a high performance in the electrochemical ammonia synthesis (ammonia yield rate 287.2 ± 10.0 μg h−1 \({\rm{mg}}_{\rm{cat.}}^{-1}\), Faradaic efficiency 54.5 ± 1.1%) using a traditional carbon-based catalyst. The proposed strategy successfully optimizes the mass transfer that greatly facilitates nitrogen reduction, providing powerful guidelines for achieving green ammonia production at a more practical level.
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