Synergizing Fe2O3 nanoparticles on single atom Fe-N-C for nitrate reduction to ammonia at industrial current densities

催化作用 纳米颗粒 法拉第效率 选择性 电解 电化学 硝酸盐 材料科学 X射线光电子能谱 化学工程 无机化学 化学 纳米技术 电极 有机化学 物理化学 工程类 电解质
作者
Eamonn Murphy,Baiyu Sun,Martina Rüscher,Yuanchao Liu,Wenjie Zang,Shengyuan Guo,Uta Hejral,Ying Huang,Alvin Ly,Iryna V. Zenyuk,Xiaoqing Pan,Janis Timoshenko,Beatriz Roldán Cuenya,Erik David Spoerke,Plamen Atanassov
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2023-x25jj
摘要

The electrochemical reduction of oxidized nitrogen species enables a pathway for the carbon neutral synthesis of ammonia (NH3). The most oxidized form of nitrogen, nitrate (NO3-) can be reduced to NH3 via the nitrate reduction reaction (NO3RR), which has been demonstrated at high selectivity. However, to make NH3 synthesis cost-competitive with current technologies, high NH3 partial current densities (jNH3) must be achieved to reduce the levelized cost of NH3. Here, we leverage the high NO3RR activity of Fe-based materials to synthesize a novel active particle-active support system with Fe2O3 nanoparticles supported on atomically dispersed Fe-N-C. By synergizing the activity of both nanoparticles and single atom sites, the optimized 3xFe2O3/Fe-N-C catalyst demonstrates an ultrahigh NO3RR activity, reaching a maximum jNH3 of 1.95 A cm-2 at a Faradaic efficiency (FE) for NH3 of 100% and an NH3 yield rate over 9 mmol hr-1 cm-2. Operando XANES and post-mortem XPS reveal the importance of a pre-reduction activation step, reducing the surface Fe2O3 (Fe3+) to highly active Fe0 sites, which are maintained during electrolysis, to realize the ultrahigh NO3RR activity. Durability studies demonstrate the robustness of both the Fe2O3 particles and Fe-Nx sites at highly cathodic potentials, maintaining a current of -1.3 A cm-2 over 24 hours, a near unity FENH3. This work exhibits an effective and durable active particle-active support system enhancing the performance of the NO3RR, enabling industrially relevant current densities and near 100% selectivity.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
更新
大幅提高文件上传限制,最高150M (2024-4-1)

科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
李爱国应助颜林林采纳,获得10
刚刚
小酒窝周周完成签到 ,获得积分10
1秒前
年轻怀亦完成签到,获得积分10
1秒前
1秒前
大力的乐曲完成签到,获得积分10
2秒前
2秒前
3秒前
CodeCraft应助windli采纳,获得10
4秒前
趣多多发布了新的文献求助10
4秒前
科研小白完成签到,获得积分10
4秒前
flj7038完成签到,获得积分10
5秒前
ju00发布了新的文献求助10
5秒前
芮rich完成签到,获得积分10
5秒前
CUPLPhD完成签到,获得积分10
6秒前
chunchun完成签到,获得积分10
6秒前
Kamal完成签到,获得积分10
7秒前
CG2021发布了新的文献求助10
7秒前
7秒前
8秒前
8秒前
Cheny完成签到 ,获得积分10
8秒前
个性的紫菜应助huanir99采纳,获得10
8秒前
shinysparrow应助无畏采纳,获得10
9秒前
9秒前
Hello应助24采纳,获得10
11秒前
Cochane发布了新的文献求助10
11秒前
善良的冷梅完成签到,获得积分10
11秒前
傅荣轩完成签到,获得积分10
12秒前
bingchem发布了新的文献求助10
12秒前
13秒前
科目三应助lkd采纳,获得10
14秒前
蛋壳柯完成签到,获得积分10
14秒前
zxt完成签到,获得积分10
16秒前
在水一方应助愤怒的故事采纳,获得10
17秒前
蛋壳柯发布了新的文献求助10
17秒前
翟大有完成签到 ,获得积分0
17秒前
无名完成签到,获得积分10
18秒前
鲸鱼不是鱼完成签到,获得积分10
19秒前
Flo完成签到,获得积分10
20秒前
nanonamo完成签到,获得积分10
21秒前
高分求助中
Manual of Clinical Microbiology, 4 Volume Set (ASM Books) 13th Edition 1000
Sport in der Antike 800
Aspect and Predication: The Semantics of Argument Structure 666
De arte gymnastica. The art of gymnastics 600
少脉山油柑叶的化学成分研究 530
Electronic Structure Calculations and Structure-Property Relationships on Aromatic Nitro Compounds 500
Berns Ziesemer - Maos deutscher Topagent: Wie China die Bundesrepublik eroberte 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 有机化学 工程类 生物化学 纳米技术 物理 内科学 计算机科学 化学工程 复合材料 遗传学 基因 物理化学 催化作用 电极 光电子学 量子力学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 2413352
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 2107189
关于积分的说明 5325579
捐赠科研通 1834559
什么是DOI,文献DOI怎么找? 914082
版权声明 560992
科研通“疑难数据库(出版商)”最低求助积分说明 488793