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Efficient and Selective Electrochemical Nitrate Reduction to N2 Using a Flow-Through Zero-Gap Electrochemical Reactor with a Reconstructed Cu(OH)2 Cathode: Insights into the Importance of Inter-Electrode Distance

电化学 阴极 还原(数学) 硝酸盐 零(语言学) 流量(数学) 分析化学(期刊) 材料科学 无机化学 化学 电极 环境科学 环境化学 物理 机械 物理化学 数学 有机化学 语言学 哲学 几何学
作者
Jianjun Zhou,Yunqing Zhu,Kaiyue Wen,Fan Pan,Hongrui Ma,Junfeng Niu,Chuanyi Wang,Jincai Zhao
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (10): 4824-4836 被引量:66
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c10936
摘要

Electrochemically converting nitrate, a widely distributed nitrogen contaminant, into harmless N2 is a feasible and environmentally friendly route to close the anthropogenic nitrogen-based cycle. However, it is currently hindered by sluggish kinetics and low N2 selectivity, as well as scarce attention to reactor configuration. Here, we report a flow-through zero-gap electrochemical reactor that shows a high performance of nitrate reduction with 100% conversion and 80.36% selectivity of desired N2 in the chlorine-free system at 100 mg-N·L-1 NO3- while maintaining a rapid reduction kinetics of 0.07676 min-1. More importantly, the mass transport and current utilization efficiency are significantly improved by shortening the inter-electrode distance, especially in the zero-gap electrocatalytic system where the current efficiency reached 50.15% at 5 mA·cm-2. Detailed characterizations demonstrated that during the electroreduction process, partial Cu(OH)2 on the cathode surface was reconstructed into stable Cu/Cu2O as the active phase for efficient nitrate reduction. In situ characterizations revealed that the highly selective *NO to *N conversion and the N-N coupling step played crucial roles during the selective reduction of NO3- to N2 in the zero-gap electrochemical system. In addition, theoretical calculations demonstrated that improving the key intermediate *N coverage could effectively facilitate the N-N coupling step, thereby promoting N2 selectivity. Moreover, the environmental and economic benefits and long-term stability shown by the treatment of real nitrate-containing wastewater make our proposed electrocatalytic system more attractive for practical applications.
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