Understanding the Activity Trends in Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia on Cu Catalysts

催化作用 氨生产 产量(工程) 化学 硝酸盐 无机化学 法拉第效率 氮气 纳米颗粒 碳纤维 材料科学 电化学 纳米技术 物理化学 冶金 电极 有机化学 复合材料 复合数
作者
Haibo Yin,Dong Feng,Yunlong Wang,Haiwei Su,Xiansheng Li,Yue Peng,Haohong Duan,Junhua Li
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:23 (24): 11899-11906
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03962
摘要

Cu-based catalysts possess great potential in the electrocatalytic nitrate (NO3–) reduction reaction for ammonia (NH3) synthesis. However, the low atomic economy limits their further application. Here we report a Cu single-atom (SA) incorporated in nitrogen-doped carbon (Cu SA/NC) with high atomic economy, which exhibits superior NH3 Faradaic efficiency (FE) of 100% along with an impressive NH3 yield rate of 7480 μg h–1 mgcat.–1. As counterparts, Cus+n/NC, with mixed SA and nanoparticles (NPs), shows decreasing NH3 FE with decreasing SA content, but the production of N2 and N2O increases gradually, which reaches the maximum on pure Cu NPs. In situ characterizations and theoretical calculations reveal that a higher NH3 FE of Cu SA/NC is ascribed to a lower free energy of the rate-limiting step (HNO* → N*) and effective inhibition for the N-N coupled process. This work provides the intuitive activity trends of Cu-based catalysts, opening an avenue for subsequent catalysts design.
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