孙世刚/楼耀尹Nature子刊：FE近100%！CuCo纳米片实现安培级电合成氨

为实现低碳排放和环境保护，开发能够将硝酸盐（NO₃⁻）有效还原为氨（NH₃）的电催化剂越来越受到关注。

基于此，厦门大学孙世刚院士和楼耀尹博士（共同通讯作者）等人报道了一种CuCo双金属催化剂，其具有类似Cu型亚硝酸盐还原酶的双功能性，通过两个活性中心的协同作用去除NO₂^–。

其中，Co充当电子/质子的供体中心，而Cu有利于NO_x^–的吸附/结合。CuCo纳米片电催化剂在-0.2 V下，电流密度为1035 mA cm⁻²时可提供100±1%的法拉第效率（FE），NH₃的生成速率达到4.8 mmol cm^-2 h^-1（960 mmol g_cat^-1 h^-1）的高活性。

通过DFT计算，作者在原子水平上揭示了Cu、Co和CuCo上的NO₃⁻RR机制。

作者计算了*NO₃物种及其衍生物在Cu(111)、Co(111)和CuCo(111)表面上的吉布斯自由能（ΔG）。

就热力学而言，Cu(111)、Co(111)和CuCo(111)上的速率决定步骤（RDS）为初始*NO₃吸附步骤，CuCo(111)上所需能量（0.17 eV）(0.17 eV)较Cu(111)（0.61 eV）和Co(111)（0.34 eV）低，表明CuCo(111)上对NO₃⁻的吸附更强。Co(111)上初始的*NO₃形态的ΔG比Cu(111)上的要低，导致更好的NO₃⁻RR性能。

对比Co(111)上*NO₃和*H的ΔG，*H的吸附更强，而NO₃⁻的吸附较差。引入Cu原子改变了CuCo(111)的电子结构，增强了NO₃⁻在CuCo(111)上的吸附，同时Co位点被Cu点位部分取代也降低了*H位的覆盖率。

因此，Cu₅₀Co₅₀中电子的重新分配促进了电子的转移速率，提高了NO₃⁻RR的催化动力学。Cu和Co位点在Cu₅₀Co₅₀上的共同调节可以平衡*H和*NO₃的吸附能，不仅降低了NO₃⁻还原的能势障，而且提高了加氢性能。

Ampere-level current density ammonia electrochemical synthesis using CuCo nanosheets simulating nitrite reductase bifunctional nature. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-35533-6.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35533-6.