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Integrated Cascade Catalysts for Electrochemical Nitrate Reduction to Ammonia

化学 催化作用 电合成 氨生产 法拉第效率 电化学 电子转移 无机化学 级联 产量(工程) 串联 化学工程 制氢 电催化剂 组合化学 级联反应 原子经济 硝酸盐 均相催化 选择性催化还原 纳米技术 可逆氢电极 电解水 光化学 多相催化 电子供体
作者
Jingwen Xu,Hengjie Liu,Shengbo Zhang,Qia Peng,Shuang Liu,Jinghao Chen,X. Wang,W. P. Wang,Hongxu Liu,Zehui Xie,L. Song,Ke Li,Wei Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (1): 148-161 被引量:16
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03265
摘要

Electrocatalytic nitrate reduction reaction (NO3–RR) powered by renewable energy sources offers a promising approach to achieve ammonia (NH3) synthesis with zero-carbon emission. However, sluggish proton-coupled electron transfer and byproduct formation challenge efficient NH3 synthesis. Here, we construct an integrated cascade catalytic system to elucidate the governing principles of active hydrogen (*H) generation and utilization during NO3–RR. A representative catalyst, composed of atomically dispersed Fe sites anchored on an N-doped carbon matrix and encapsulated Ru nanoparticles, exhibits an NH3 yield up to 2336.43 μgNH3 h–1 mgcat–1 while maintaining a Faradaic efficiency of 96.03% at a low potential of 0 V vs RHE. In addition, operando SR-FTIR spectroscopy and DFT calculations reveal that electron transfer from Fe atom to Ru particle not only enhances the affinity of Fe sites for NOx– species but also enriches H coverage on Ru sites, thereby accelerating hydrogenation steps and sustaining a steady *H generation-consumption cycle. This work reveals the mechanistic origin of active hydrogen in tandem catalytic structures and provides fundamental insights for advancing highly selective, energy efficient, and durable NH3 electrosynthesis and wastewater treatment.
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