Stabilizing Cu δ+ Species via Ni,Co Comodification for Promoted Electrocatalytic Nitrate Reduction

催化作用 电催化剂 氨生产 化学 法拉第效率 产量(工程) 硝酸盐 无机化学 电化学 化学工程 制氢 析氧 材料科学 可逆氢电极 选择性催化还原 反应机理 工作(物理) 铂金 纳米棒 氧化还原 反应中间体
作者
Ting Liu,Ying Xu,Yuxuan Li,Fuli Wang,Zixuan Feng,Yitong Zhou,Yuhuan Cui,Yongjun Gao
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:14 (11): 5821-5830
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.6c00353
摘要

Electrochemical nitrate reduction reaction (NO 3 RR) for ammonia (NH 3 ) production is considered as a sustainable alternative to the Haber–Bosch process due to its renewable nature and environmental friendliness. Nevertheless, the sluggish reaction kinetics of the NO 3 RR severely limits the NH 3 yield and Faradaic efficiency, hindering its practical applications. Copper (Cu) catalysts, although widely employed, suffer from *NO 2 accumulation and an insufficient active hydrogen (*H) supply, resulting in unsatisfactory NO 3 RR performance. Herein, to refine the catalytic properties of Cu-based catalysts, a robust Ni,Co-codoped CuO x (Ni,Co-CuO x ) nanorod catalyst is designed, which would be in situ reconstructed into stable Ni,Co–Cu/CuO x hybrids during NO 3 RR. Experimental and theoretical results reveal that Ni,Co codoping effect synergistically stabilizes Cu δ+ species through Ni/Co–O–Cu bonds and maintains the Cu/CuO x structure, which acts as the main active center for NO 3 RR. Meanwhile, Ni,Co codopants accelerate *H desorption, as well as suppress hydrogen evolution side reaction, leading to a favorable balance between *H supply and intermediate adsorption. Combining the above advantages, the Ni,Co-CuO x catalyst delivers an ultrahigh NH 3 yield rate of 130.64 mg h –1 cm –2 with a Faradaic efficiency of 98.53% under ampere current densities. This work innovatively proposes a strategy for immobilizing Cu δ+ species and offers new insights into stable catalyst design for NO 3 RR. The Ni,Co-CuO x electrocatalyst converts waste nitrate to ammonia with superior performance, offering a low-carbon, sustainable alternative to the Haber–Bosch process.
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