Self-Triggering a Locally Alkaline Microenvironment of Co4Fe6 for Highly Efficient Neutral Ammonia Electrosynthesis

化学 碱度 无机化学 电解质 电催化剂 电合成 电解 电化学 氨生产 法拉第效率 硝酸盐 电解水 离解(化学) 电极 物理化学 有机化学
作者
Yang Yang,Yuting Sun,Yuning Wang,Xiaoxue Zhang,Wenyu Zhang,Zhen‐Feng Huang,Lichang Yin,Ali Han,Gang Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (10): 8893-8905 被引量:45
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00688
摘要

Electrochemical nitrate reduction reaction (eNO3-RR) to ammonia (NH3) holds great promise for the green treatment of NO3- and ambient NH3 synthesis. Although Fe-based electrocatalysts have emerged as promising alternatives, their excellent eNO3-RR-to-NH3 activity is usually limited to harsh alkaline electrolytes or alloying noble metals with Fe in sustainable neutral electrolytes. Herein, we demonstrate an unusual self-triggering localized alkalinity of the Co4Fe6 electrocatalyst for efficient eNO3-RR-to-NH3 activity in neutral media, which breaks down the conventional pH-dependent kinetics restrictions and shows a 98.6% NH3 Faradaic efficiency (FE) and 99.9% NH3 selectivity at -0.69 V vs RHE. The synergetic Co-Fe dual sites were demonstrated to enable the optimal free energies of eNO3-RR-to-NH3 species and balance water dissociation and protonation of adsorbed NO2-. Notably, the Co4Fe6 electrocatalysts can attain a high current density of 100 mA cm-2 with a high NH3 FE surpassing 96% and long-term stability for over 500 h eNO3-RR-to-NH3 in a membrane electrode assembly (MEA) electrolyzer. This work provides insight into tailoring the self-reinforced local-alkalinity on the Fe-based alloy electrocatalysts for eNO3-RR-to-NH3 and thus avoids alkaline electrolytes and noble metals for practical sustainable nitrate upcycling technology.
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