Zn single atom on N-doped carbon: Highly active and selective catalyst for electrochemical reduction of nitrate to ammonia

催化作用 电化学 微型多孔材料 Atom(片上系统) 选择性催化还原 法拉第效率 化学 氨生产 选择性 无机化学 水溶液 材料科学 纳米技术 物理化学 电极 有机化学 计算机科学 嵌入式系统
作者
Jinxiu Zhao,Xiang Ren,Xuejing Liu,Xuan Kuang,Huan Wang,Changwen Zhang,Wei Qin,Dan Wu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:452: 139533-139533 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.139533
摘要

Electrochemical reduction of nitrate (NO3−) to ammonia (NH3) in aqueous media is a double-advantage process, which can convert the main pollutant in water to the most useful chemical feedstocks. However, the design and development of highly effective and selective catalyst for NO3− reduction reaction (NO3−RR) is still challenging currently, as the NO3−RR contains multiple pathways and suppresses each other. Here, we demonstrate a highly active and selective Zn single atom supported microporous N-doped carbon catalyst, which was characterized by the atomic resolution high-angle annular dark field-scanning transmission electron microscopy, achieving excellent NO3−RR performance (NO3− conversion: 97.2 %; NH3 selectivity: 94.9 %; NH3 yield rate: ∼39,000 μg h−1 mgcat.−1; Faradaic efficiency: 94.8 %). Density functional theory calculations confirm that the atomically dispersed Zn atom coordinated with four N atoms has moderate interaction with NO3− species due to its positive charge. The reaction mechanism and potential determining step for NO3−RR on single Zn atom were further determined. This research provides an exciting new way for the rational design and development of single atom catalyst for advanced electrochemical applications.
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