In Situ Construction of Metal–Organic Frameworks as Smart Channels for the Effective Electrocatalytic Reduction of Nitrate at Ultralow Concentrations to Ammonia

催化作用 硝酸盐 化学 无机化学 氨生产 电化学 法拉第效率 选择性催化还原 金属有机骨架 电极 吸附 有机化学 物理化学
作者
Zhichao Wang,Sisi Liu,Mengfan Wang,Lifang Zhang,Yuzhuo Jiang,Tao Qian,Jie Xiong,Cheng‐Zen Yang,Chenglin Yan
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (13): 9125-9135 被引量:131
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c01821
摘要

Electrochemical conversion of nitrate, a widespread water pollutant, into high-value-added ammonia is a renewable and delocalized route to restore the globally perturbed nitrogen cycle. However, premature desorption of catalytic intermediates and the competitive reaction of hydrogen evolution make the current performance still far from suitable for practical applications. In this work, a Zr-based metal–organic framework (MOF) is in situ constructed at the reaction interface to serve as a smart channel for the highly selective electrocatalytic reduction of nitrate to ammonia. The secondary coordination interaction introduced by the pendant Brønsted acidic groups of MOF not only effectively stabilize the catalytic intermediates to facilitate the overall reaction process but also certainly increase the proton activation barrier to suppress the competing hydrogen evolution reaction. When coupled with a nanocluster active center, the proof-of-concept system achieves simultaneous improvement in three critical parameters, with a nitrate conversion rate of 97.6%, an ammonia selectivity of 95.2%, and a Faradaic efficiency of 91.4% at −1.0 V (vs RHE) under ultralow nitrate concentration conditions. This strategy provides an interesting route for the application of MOFs and paves the way for the removal of nitrate and its reduction to ammonia.
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