Russian Journal of Physical Chemistry ARussian Journal of Physical Chemistry AЖурнал физической химии0044-45373034-5537The Russian Academy of Sciences68528410.31857/S0044453725020205DCWCKTELECTROCHEMISTRY. GENERATION AND STORAGE OF ENERGY FROM RENEWABLE SOURCESЭЛЕКТРОХИМИЯ. ГЕНЕРАЦИЯ И АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВResearch ArticleComparison of the catalytic properties of Pt and Co cathodes for the nitrite reduction reaction to ammoniaСравнение каталитических свойств Pt- и Co-катодов в реакции восстановления нитритов до аммиакаKuznetsovaI. I.КузнецоваИ. И.
Russian Federation

Department of Chemistry

Химический факультет

lmkustov@mail.ruLebedevaO. K.ЛебедеваО. К.
Russian Federation

Department of Chemistry

Химический факультет

lmkustov@mail.ruKultinD. Y.КультинД. Ю.
Russian Federation

Department of Chemistry

Химический факультет

lmkustov@mail.ruKustovL. M.КустовЛ. М.
Russian Federation

M. V. Lomonosov Moscow State University, Department of Chemistry

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Химический факультет

lmkustov@mail.ruM. V. Lomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М. В. ЛомоносоваN. D. Zelinsky Institute of Organic Chemistry, Russian Academy of SciencesИнститут органической химии им. Н. Д. Зелинского Российской академии наук1502202599233133819062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0044-4537/article/view/685284

The electrochemical reaction reduction of nitrites (NO2−RR) in a neutral aqueous electrolyte is studied, which has important applications both for future ammonia synthesis processes and for effective wastewater and agricultural wastewater treatment. The catalytic activity is compared (the results of the Faradaic efficiency and the yield rate of ammonia are obtained) for noble (platinum) and non-noble (cobalt) metals. Metallic polycrystalline platinum and cobalt serve as electrocatalyst. The surface of the catalysts is analyzed using SEM and light microscopy. The method of linear voltammetry is used to preliminarily identify the potential of ammonia synthesis and estimate the synthesis current density. The values of Faradaic efficiency (FE) and the yield rate of ammonia release are obtained for the five selected values of current densities (J). It is found that the cobalt cathode is more efficient (FE ≈ 99%, yield rate (NH3) = 2.4 mmol h–1 cm–2), which exceeds the values for the platinum cathode ((FE = 88.1%, yield rate (NH3) = 0.4 mmol h–1 cm–2). The electrochemically active surface (ECSA) of the electrocatalysts is determined. The explanation of such activity of catalysts is given according to the results of the work that demonstrate that a non-noble metal cathode can be more effective for NO2−RR.

Исследована электрохимическая реакция восстановления нитритов (NO2–RR) в нейтральном водном электролите, имеющая важное применение, как для будущих процессов синтеза аммиака, так и для эффективной очистки сточных и сельскохозяйственных сбросов. Проведено сравнение каталитической активности (получены результаты выхода по току (Фарадеевской эффективности) и скорости образования аммиака) для благородного (платина) и неблагородного (кобальт) металлов. Электродами-катализаторами служили металлические поликристаллические платина и кобальт. Поверхность катализаторов была проанализирована при помощи сканирующей и оптической микроскопии. Метод потенциодинамических кривых служил для предварительного выявления потенциала синтеза аммиака и оценки плотности тока синтеза. Были получены значения выхода по току (Фарадеевская эффективность, FE) и скорость образования аммиака при выбранных пяти значениях плотностей тока. Было обнаружено, что более эффективным является кобальтовый катод (FE ≈ 99%, скорость образования (NH3) = 2.4 мкмоль ч–1 см–2), что превышает значения для платинового катода (FE = 88.1%, скорость образования (NH3) = 0.4 мкмоль ч–1 см–2). Была определена электрохимически активная поверхность рабочих электродов-катализаторов. Объяснение такой активности катализаторов дано согласно результатам работы, которые демонстрируют, что катод из неблагородного металла может быть более эффективным для NO2–RR, чем платиновый катод.

electrocatalysisnitrite reduction reactionplatinum catalystcobalt catalystgreen chemistryэлектрокатализвосстановление нитритовплатиновый катализаторкобальтовый катализаторэкологическая химияРоссийский научный фондRussian Science Foundation23-73-30007Правительство РФGovernment of RFMakepeace J.W., He T., Weidenthaler C. et al. // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44. P. 7746. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.01.144John J., MacFarlane D.R., Simonov A.N. // Nat. Catal. 2023. V. 6. P. 1125. https://doi.org/10.1038/s41929-023-01060-wLebedeva O., Kultin D., Каlenchuk A., Кustov L. // Curr. Opin. Electrochem. 2023. V. 38. P. 101207. https://doi.org/10.1016/j.coelec.2022.101207Imamura K., Kubota J. // Sustainable Energy Fuels. 2019. V. 3. Р. 1406. https://doi.org/10.1039/C9SE00049F.Shao J., Jing H., Wei P. et al. // Nat. Energy. 2023. V. 8. Р. 1273. https://doi.org/10.1038/s41560-023-01386-6Murphy E., Liu Y., Matanovic I. et al. // Nat. Commun. 2023. V. 14. Р. 4554. https://doi.org/10.1038/s41467-023-40174-4Bai L., Franco F., Timoshenko J. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2024. V. 146. Р. 9665. https://doi.org/10.1021/jacs.3c13288Jiang Z., Wang Y., Lin Z. et al. // Energy Environ. Sci. 2023. V. 16. Р. 2239. https://doi.org/10.1039/D2EE03502BKuznetsova I., Lebedeva O., Kultin D. et al. // Int. J. Mol. Sci. 2024. V. 25. Р. 7089. https://doi.org/10.3390/ijms25137089Jiang Z., Wang Y., Lin Z. et al. // Energy Environ. Sci. 2023. V. 16. Р. 2239. https://doi.org/10.1039/D2EE03502BPetrii O.A., Safonova T.Ya. // J. Electroanal. Chem. 1992. V. 331. Р. 897. https://doi.org/10.1016/0022-0728(92)85013-SXiang J., Qiang C., Shang S. et al. // Adv. Funct. Materials. 2024. Р. 2401941. https://doi.org/10.1002/adfm.202401941Zhao H., Xiang J., Sun Z. et al. // ACS Sustainable Chem. Eng. 2024. V. 12. Р. 2783. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c07388Wang F., Xiang J., Zhang G. et al. // Nano Res. 2024. V. 17. Р. 3660. https://doi.org/10.1007/s12274-023-6261-2Wang F., Zhao H., Zhang G. et al. // Adv. Funct. Materials. 2024. V. 34. Р. 2308072. https://doi.org/10.1002/adfm.202308072Wang F., Shang S., Sun Z. et al. // Chem. Eng. J. 2024. V. 489. Р. 151410. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151410Xiang J., Zhao H., Chen K. et al. // J. Colloid Interface Sci. 2024. V. 653. Р. 390. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.09.095Xiang J., Zhao H., Chen K. et al. // Ibid. 2024. V. 659. Р. 432. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.01.013Wan Y., Du W., Chen K. et al. // Ibid. 2023. V. 652. Р. 2180. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.09.071Wu T., Zhang F., Wang J. et al. // Dalton Trans. 2024. V. 53. Р. 877. https://doi.org/10.1039/D3DT03808DLi Y., Ouyang L., Chen J. et al. // J. Colloid Interface Sci. 2024. V. 663. Р. 405. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.02.153Qu Y., Guo Y., Chu K. // Inorg. Chem. 2024. V. 63. Р. 78. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.3c04194Zhang Y., Wan Y., Liu X. et al. // iScience. 2023. V. 26. Р. 107944. https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.107944Dima G.E., De Vooys A.C.A., Koper M.T.M. // J. Electroanal. Chem. 2003. V. 554–555. Р. 15. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(02)01443-2De Groot M.T., Koper M.T.M. // J. Electroanal. Chem. 2004. V. 562. Р. 81. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2003.08.011Lebedeva O., Zakharov V., Kuznetsova I. et al. // Chem. – Eur. J. 2024. V. 30. Р. e202402075. https://doi.org/10.1002/chem.202402075Adalder A., Mitra K., Barman N. et al. // ChemRxiv. 2024. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2024-v8chs