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 氨 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,Qin Wei,Dan Wu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:452: 139533-139533 被引量:75
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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