Two-dimensional BCN matrix inlaid with single-atom-Cu driven electrochemical nitrate reduction reaction to achieve sustainable industrial-grade production of ammonia

电化学 硝酸盐 化学 产量(工程) 吸附 材料科学 无机化学 电极 催化作用 物理化学 有机化学 冶金
作者
Xue Zhao,Xiuxiu Jia,Yingnan He,Haibo Zhang,Xiaohai Zhou,Hucai Zhang,Shusheng Zhang,Yemin Dong,Xun Hu,Artem V. Kuklin,Glib Baryshnikov,Hans Ågren,Guangzhi Hu
出处
期刊:Applied Materials Today [Elsevier]
卷期号:25: 101206-101206 被引量:91
标识
DOI:10.1016/j.apmt.2021.101206
摘要

Electrochemical methods have been proven to effectively eliminate nitrates in sewage and convert them into high value-added ammonia products. Here, after annealing treatment of metal boron cluster organic polymers formed by the combination of 1,10-phenanthroline, Cu2+ and closo-[B12H12]2-, a Cu single-atom doped BCN (B-doped CN) with a diamond-shaped nanosheet structure was obtained. In the electrochemical reduction reaction of nitrate, BCN-Cu exhibits excellent catalytic activity, specifically: 1) the ammonia yield rate reached as high as 498.85 μg h−1 cm−2, 1047.14 μg h−1 cm−2, 1900.07 μg h−1 cm−2 and 3358.74 μg h−1 cm−2 at -0.3 V, -0.4 V, -0.5 V and -0.6 V vs reversible hydrogen electrode, respectively, and Faradaic efficiency is 95.90%, 97.28%, 98.23% and 97.37%; 2) after repeated use of BCN-Cu 10 times or continuous operation for 16 h, the activity against electrochemical reduction reaction of nitrate anions is almost unchanged. The 15NO3− isotopic labeling experiment proved that the detected NH3 comes from the reduction of NO3− on BCN-Cu. Control experiments show that the presence of Cu determines whether BCN-Cu has the possibility of catalyzing electrochemical reduction reactions of nitrate, and the presence of the B element enhances the catalytic activity of BCN-Cu. Density functional calculations indicate that in the water phase the process of reducing NO3− to NH3 on Cu0 is an exothermic reaction, and that the adsorption process of NO3− on Cu0 is the rate-determining step.
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