Reversible Hydrogen Acceptor–Donor Enables Relay Mechanism for Nitrate‐to‐Ammonia Electrocatalysis

电催化剂 氨生产 催化作用 硝酸盐 材料科学 无机化学 化学 石墨烯 电化学 纳米技术 电极 冶金 物理化学 有机化学 生物化学
作者
Yuefei Li,Ye Liu,Mingkai Zhang,Linsen Li,Zhao Jiang,Bingying Han,Baojun Wang,Jiayuan Li
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (5): e202417631-e202417631 被引量:26
标识
DOI:10.1002/anie.202417631
摘要

Electrocatalytic nitrate reduction is a crucial process for sustainable ammonia production. However, to maximize ammonia yield efficiency, this technology inevitably operates at the potentials more negative than 0 V vs. RHE, leading to high energy consumption and competitive hydrogen evolution. To eradicate this issue, hydrogen tungsten bronze (HxWO3) as reversible hydrogen donor-acceptor is partnered with copper (Cu) to enable a relay mechanism at potentials positive than 0 V vs. RHE, which involves rapid intercalation of H into HxWO3 lattice, prompt de-intercalation of the lattice H and transfer onto Cu, and spontaneous H-mediated nitrate-to-ammonia conversion on Cu. The resulting catalysts demonstrated a high ammonia yield rate of 3332.9±34.1 mmol gcat -1 h-1 and a Faraday efficiency of ~100 % at 0.10 V vs. RHE, displaying a record-low estimated energy consumption of 17.6 kWh kgammonia -1. Using these catalysts, we achieve continuous ammonia production in an enlarged flow cell at a real energy consumption of 17.0 kWh kgammonia -1.
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