Stabilizing Hydrogen Radicals in Two‐Dimensional Cobalt‐Copper Mesoporous Nanoplates for Complete Nitrate Reduction Electrocatalysis to Ammonia

电催化剂 激进的 化学 硝酸盐 无机化学 介孔材料 催化作用 电化学 有机化学 电极 物理化学
作者
Chenyu Han,Lizhi Sun,Shu Han,Lei Liu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.202416910
摘要

Ambient electrochemical reduction of waste nitrate (NO3−) represents an alternative green route for sustainable ammonia (NH3) electrosynthesis in water. Despites some encouraged achievements, sluggish eight electron and nine proton reduction routes that involve multi‐step hydrogenation pathways have severely hindered their NH3 Faradaic efficiency (FENH3) and yield rate. Herein, we develop a robust two‐dimensional mesoporous cobalt‐copper (meso‐CoCu) nanoplate electrocatalyst that delivers excellent performance of complete NO3− reduction reaction (NO3RR), including superior FENH3 of 98.8%, high NH3 yield rate of 3.39 mol h−1 g−1 and energy efficiency of 49.8%, and good cycling stability. Mechanism investigations unveil that active hydrogen (*H) radicals produced from water splitting on Co sites spillover to adjacent Cu sites and further stabilize within confined mesopores, which kinetically promote its coupling hydrogenation reactions of nitrogen intermediates and thus facilitate complete NO3RR for favorable NH3 electrosynthesis. Moreover, meso‐CoCu nanoplates perform well as a bifunctional electrocatalyst in the two‐electrode coupling system that concurrently synthesizes NH3 from NO3− at cathode and 2,5‐furanedicarboxylic acid from 5‐hydroxymethylfurfural at anode. This work in stabilizing *H radicals in mesoporous microenvironment provides some insights applied to various hydrogenation reactions for selective electrosynthesis of highly value‐added chemicals in water.
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