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Gradient-concentration RuCo electrocatalyst for efficient and stable electroreduction of nitrate into ammonia

电催化剂 硝酸盐 氨生产 电化学 催化作用 无机化学 纳米片 化学 色散(光学) 材料科学 化学工程 纳米技术 物理化学 有机化学 电极 工程类 物理 光学
作者
Xinhong Chen,Yumeng Cheng,Bo Zhang,Jia Zhou,Sisi He
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 6278-6278 被引量:179
标识
DOI:10.1038/s41467-024-50670-w
摘要

Electrocatalytic nitrate reduction to ammonia holds great promise for developing green technologies for electrochemical ammonia energy conversion and storage. Considering that real nitrate resources often exhibit low concentrations, it is challenging to achieve high activity in low-concentration nitrate solutions due to the competing reaction of the hydrogen evolution reaction, let alone considering the catalyst lifetime. Herein, we present a high nitrate reduction performance electrocatalyst based on a Co nanosheet structure with a gradient dispersion of Ru, which yields a high NH3 Faraday efficiency of over 93% at an industrially relevant NH3 current density of 1.0 A/cm2 in 2000 ppm NO3- electrolyte, while maintaining good stability for 720 h under −300 mA/cm2. The electrocatalyst maintains high activity even in 62 ppm NO3- electrolyte. Electrochemical studies, density functional theory, electrochemical in situ Raman, and Fourier-transformed infrared spectroscopy confirm that the gradient concentration design of the catalyst reduces the reaction energy barrier to improve its activity and suppresses the catalyst evolution caused by the expansion of the Co lattice to enhance its stability. The gradient-driven design in this work provides a direction for improving the performance of electrocatalytic nitrate reduction to ammonia. Achieving stable and high-activity nitrate electroreduction to ammonia in low concentrations nitrate is critical but challenging. Here, the authors present a Co-based electrocatalyst with gradient-doped Ru atoms, showing a continuous ammonia production at −1000 mA/cm2 in 2000 ppm nitrate electrolyte.
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