Selective nitrogen fixation via Janus C-N coupling in co-electrolysis

杰纳斯 固氮 电解 氮气 固定(群体遗传学) 联轴节(管道) 化学 材料科学 纳米技术 生物化学 冶金 电极 有机化学 物理化学 电解质 基因
作者
Xiaoran Zhang,Xiaorong Zhu,Shuowen Bo,Chen Chen,Qingfeng Zhai,Shuang Li,Xiaojin Tu,Jianyun Zheng,Dongdong Wang,Xiaoxiao Wei,Wei Chen,Tehua Wang,Yafei Li,Qinghua Liu,San Ping Jiang,Liming Dai,Shuangyin Wang
出处
期刊:Chem [Elsevier]
标识
DOI:10.1016/j.chempr.2024.01.025
摘要

Summary

Electrocatalysis offers a sustainable approach to artificial nitrogen fixation yet faces numerous challenges. Selective synthesis of nitrogen-containing compounds shows promise but needs significant improvement. Herein, we demonstrate selective ammonia and urea synthesis via co-electrolysis with CO2. High CO binding energy on Re-Mn catalysts leads to the formation of ∗C species, which serve as electron reservoirs to enhance N2 activation for C-N coupling (N2 + ∗C → ∗CN2), followed by C-N dissociation. This results in ammonia production with a yield rate of 48.9 ± 2.4 mg g−1 h−1 and an N-selectivity of 98.4%. In contrast, Zn-Mn sites, characterized by low CO binding, facilitate the migration of CO and its coupling with adsorbed N2 (CO + ∗N=N∗ → ∗NCON∗). Subsequent hydrogenations of ∗NCON∗ promote urea synthesis with an N-selectivity of 89.1%. Utilizing Janus coupling with two C-N pathways aims to meet energy, agriculture, and chemical industry demands. We realized the selective synthesis of ammonia and urea, respectively, in one electrocatalytic system for the first time by Janus coupling with two distinguishable C-N coupling paths from N2 and CO2.
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