【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室汪國雄研究員和包信和院士團(tuán)隊(duì)在電化學(xué)合成氨研究中取得新進(jìn)展，發(fā)展了一種原位衍生的高性能Cu納米片催化劑，提出了Cu晶面串聯(lián)催化促進(jìn)電化學(xué)還原NO3-合成NH3的有效策略，并加深了對(duì)Cu催化劑上NO3-轉(zhuǎn)化為NH3反應(yīng)機(jī)制的理解。
 

　　電催化還原將硝酸鹽(NO3-)污染物轉(zhuǎn)化為高附加值的氨(NH3)，為氮資源循環(huán)利用提供了一種有前景的解決途徑。NO3-轉(zhuǎn)化為NH3需要經(jīng)歷復(fù)雜的多步質(zhì)子電子轉(zhuǎn)移過程，導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)速率緩慢，過電勢(shì)高。同時(shí)，競爭性析氫反應(yīng)(HER)降低了NH3法拉第效率及分電流密度。因此，硝酸鹽電催化還原(NO3-RR)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)制備高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性的催化劑。
 

　　本工作報(bào)道了一種電化學(xué)原位衍生的高性能銅(Cu)納米片催化劑，在流動(dòng)相電解池中，該催化劑在-0.59 V vs. 相對(duì)可逆氫電極(RHE)條件下獲得了665 mA cm-2的NH3分電流密度和1.41 mmol h-1 cm-2的NH3產(chǎn)率。該催化劑表現(xiàn)出700 h的高穩(wěn)定性，在365 mA cm-2電流密度下，NH3法拉第效率保持在~88%。電化學(xué)原位譜學(xué)表征結(jié)果表明，氧化銅(CuO)納米片在RR反應(yīng)條件下被原位還原為金屬Cu，提供了NO3-電化學(xué)還原的活性位點(diǎn)。物理化學(xué)和電化學(xué)表征以及密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，原位衍生Cu納米片的高性能歸因于Cu(100)和Cu(111)晶面的串聯(lián)催化作用。由于Cu的不同晶面上靜電勢(shì)的差異導(dǎo)致NO3-吸附強(qiáng)弱的差別，其中Cu(100)更容易吸附NO3-并促進(jìn)其轉(zhuǎn)化為NO2-，產(chǎn)生的NO2-隨后遷移在Cu(111)上進(jìn)一步還原，從而促進(jìn)了NH3的生成。
 

　　相關(guān)工作近日以“Enhancing Electrochemical Nitrate Reduction to Ammonia over Cu Nanosheets via Facet Tandem Catalysis”為題發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上。該工作第一作者是我所502組博士研究生付云凡和博士后王碩。該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。(文/圖 付云凡、王碩)