Highly efficient and selective electrosynthesis of urea via co-reduction of carbon dioxide and nitrate over the TiN catalyst

电合成 催化作用 尿素 二氧化碳 化学 硝酸盐 无机化学 二氧化碳电化学还原 选择性催化还原 选择性还原 化学工程 有机化学 电化学 电极 一氧化碳 物理化学 工程类
作者
Hongjun Fang,Z. Wang,Chil-Chyuan Kuo,Hainan Yang,Xinzhen Feng,Weijie Ji,Chak Tong Au
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:: 150178-150178
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.150178
摘要

Green and sustainable electrosynthesis of urea at ambient conditions through co-reduction of CO2 and NO3− (CR-CO2/NO3−) is regarded as a new avenue for nitrogen fertilizer production, however, the lack of novel electrocatalysts capable of selective C-N coupling hinders its wide application. Herein we reported a TiNx catalyst (TiN/TiN0.3) prepared by facile electric explosion method for electrocatalytic urea synthesis via CR-CO2/NO3−. The derived catalyst with porous nanostructure and specific active phase (TiN0.3) is more conductive for efficient C-N coupling. Consequently, a faradaic efficiency (FE) of 43.1 ± 3.1 % and a urea formation rate as high as 1488 ± 95 μg h−1 mgcat−1 were reached over the TiNx electrode, outperforming most of the reported CR-CO2/NO3− systems toward urea synthesis. In-situ attenuated total reflection Fourier transformed infrared spectroscopy and isotope-labeling experiments demonstrated the details about electrochemical coupling processes. The simulation study suggested that the TiN0.3 (1 0 0) facet facilitates the electroreduction of CO2 and NO3−, and decreases the energy barrier for generation of the key intermediates (*CO/*NH2), thus leading to the selective formation of urea. This work accomplished highly efficient electrochemical CR-CO2/NO3− toward nitrogen fertilizer production over a novel TiNx electrocatalyst for the target process.
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