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Acidic Nitrate Electroreduction with Ultrahigh Energy Efficiency
Angewandte Chemie International Edition ( IF 16.1 ) Pub Date : 2025-06-04 , DOI: 10.1002/anie.202507724
Rong Zhang, Xintao Ma, Shaoce Zhang, Huilin Cui, Chuan Li, Yanbo Wang, Qing Li, Chao Peng, Ying Guo, Chunyi Zhi
Angewandte Chemie International Edition ( IF 16.1 ) Pub Date : 2025-06-04 , DOI: 10.1002/anie.202507724
Rong Zhang, Xintao Ma, Shaoce Zhang, Huilin Cui, Chuan Li, Yanbo Wang, Qing Li, Chao Peng, Ying Guo, Chunyi Zhi
Ammonia (NH3) is an important feedstock for industry, an ideal energy carrier, and a perspective storage media for hydrogen. Recently, electrochemical NO3− reduction under acidic conditions has received considerable attention but it suffers from limited efficiency especially under low NO3− concentration. Here, we report an in-situ formed positively charged polyethyleneimine-modified Cu under acidic conditions as a catalyst-electrolyte interface (CEI) for electrochemical NO3− reduction to NH3. Such CEI can effectively accumulate NO3− anions via static interactions and accelerate *NO hydrogenation to *NOH by weakening *NO intermediate adsorption on Cu site, thereby facilitating NO3−-to-NH3 conversion. Such CEI delivers an increased NH3 Faradaic efficiency (FE) of 83.5% and an impressive half-cell energy efficiency (EE) of 37.1% in 10 mM NO3− solution (pH = 1). The NH3 FE and EE can further increase to 90.2% and 44.1% in 0.5 M NO3−, respectively. The high EE of CEI surpasses previously reported catalyst performances for NO3− reduction. Finally, we demonstrate the feasibility of a novel NO3−-furfural battery, showcasing a self-power electrocatalytic system capable of simultaneously treating NO3− pollutants, generating value-added NH3 and upgrading biomass. This work offers valuable insights into the construction of a catalyst-electrolyte interface to enhance the efficiency of NH3 synthesis.
中文翻译:
具有超高能效的酸性硝酸盐电还原
氨 (NH3) 是工业的重要原料、理想的能源载体和氢的前瞻性储存介质。最近,酸性条件下的电化学 NO3− 还原受到了相当大的关注,但其效率有限,尤其是在低 NO3− 浓度下。在这里,我们报道了在酸性条件下原位形成的带正电荷的聚乙烯亚胺改性 Cu 作为电化学 NO3− 还原为 NH3 的催化剂-电解质界面 (CEI)。这种 CEI 可以通过静态相互作用有效地积累 NO3− 阴离子,并通过削弱 Cu 位点的 *NO 中间吸附来加速 *NO 氢化为 *NOH,从而促进 NO3− 到 NH3 的转化。这种 CEI 在 10 mM NO3− 溶液 (pH = 1) 中提供了 83.5% 的 NH3 法拉第效率 (FE) 和 37.1% 的令人印象深刻的半电池能效 (EE)。NH3 FE 和 EE 在 0.5 M NO3− 中可分别进一步增加到 90.2% 和 44.1%。CEI 的高 EE 超过了以前报道的催化剂在 NO3− 还原方面的性能。最后,我们展示了新型 NO3−-糠醛电池的可行性,展示了一种能够同时处理 NO3− 污染物、产生增值 NH3 和升级生物质的自供电电催化系统。这项工作为构建催化剂-电解质界面以提高 NH3 合成效率提供了有价值的见解。
更新日期:2025-06-04
中文翻译:

具有超高能效的酸性硝酸盐电还原
氨 (NH3) 是工业的重要原料、理想的能源载体和氢的前瞻性储存介质。最近,酸性条件下的电化学 NO3− 还原受到了相当大的关注,但其效率有限,尤其是在低 NO3− 浓度下。在这里,我们报道了在酸性条件下原位形成的带正电荷的聚乙烯亚胺改性 Cu 作为电化学 NO3− 还原为 NH3 的催化剂-电解质界面 (CEI)。这种 CEI 可以通过静态相互作用有效地积累 NO3− 阴离子,并通过削弱 Cu 位点的 *NO 中间吸附来加速 *NO 氢化为 *NOH,从而促进 NO3− 到 NH3 的转化。这种 CEI 在 10 mM NO3− 溶液 (pH = 1) 中提供了 83.5% 的 NH3 法拉第效率 (FE) 和 37.1% 的令人印象深刻的半电池能效 (EE)。NH3 FE 和 EE 在 0.5 M NO3− 中可分别进一步增加到 90.2% 和 44.1%。CEI 的高 EE 超过了以前报道的催化剂在 NO3− 还原方面的性能。最后,我们展示了新型 NO3−-糠醛电池的可行性,展示了一种能够同时处理 NO3− 污染物、产生增值 NH3 和升级生物质的自供电电催化系统。这项工作为构建催化剂-电解质界面以提高 NH3 合成效率提供了有价值的见解。