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El amoníaco (NH3) es esencial para la agricultura y desempeña un papel importante en los sistemas energéticos sin carbono de próxima generación. La síntesis renovable de NH3 es un método complementario o alternativo al proceso tradicional Haber-Bosch.
La reacción electroquímica de reducción de nitratos (NO3-RR) a NH3 ofrece una vía prometedora para la producción sostenible de NH3 y la recuperación eficaz de nitrógeno. Sin embargo, la lentitud cinética de la reacción y la competencia de la reacción de evolución del hidrógeno (HER) dificultan su eficacia.
En un estudio publicado en Nature Synthesis, un equipo dirigido por el Prof. BAO Xinhe, del Instituto Dalian de Física Química de la Academia China de Ciencias, desarrolló un catalizador bimetálico de cobre-paladio (CuPd), que formó dinámicamente abundantes sitios interfaciales Cu-PdHx con alta actividad catalítica intrínseca in situ en condiciones de NO3-RR.
En condiciones de operación NO3-RR, el catalizador bimetálico CuPd mostró una elevada actividad catalítica intrínseca, alcanzando una tasa de producción de NH3 de 19,9 mmol h-1 cm-2 con una densidad de corriente de 5 A cm-2 a un voltaje de celda completa de 2,56 V en un electrolizador de ensamblaje de electrodo de membrana (MEA). Demostró una buena durabilidad, manteniendo una eficiencia faradaica de alrededor del 86,8% a 2 A cm-2 durante más de 1.000 horas.
Los investigadores revelaron que el mayor rendimiento se atribuía a la superior actividad intrínseca de las interfaces Cu-PdHx. La redistribución de hidrógeno inducida por el desbordamiento en la interfaz Cu-PdHx modificó la estructura electrónica local de los sitios activos, lo que optimizó la adsorción de NO3-, promovió la desorción de NH3 y proporcionó una vía de reacción energéticamente más favorable para la síntesis de NH3.
Una demostración a escala utilizando una pila de electrolizadores con cinco MEAs de 100 cm2 alcanzó una tasa de producción de NH3 de 8,7 mol h-1 a 500 A, y produjo de forma continua 1,6 mol h-1 de NH3 a 100 A durante 100 horas, subrayando su aplicabilidad industrial.
Este estudio aporta nuevos conocimientos sobre la relación estructura-actividad de los sitios bimetálicos de CuPd. Y proporciona una estrategia eficaz para mejorar la actividad catalítica intrínseca mediante la construcción in situ de interfaces beneficiosas, permitiendo la conversión eficiente de contaminantes de nitrato en NH3 de valor añadido.
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