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兰州交大/河南大学AFM:CuRh1单原子合金促进串联亚硝酸盐还原合成氨
氨(NH3)是各种工业和农业应用的重要化学原料。传统的Haber-Bosch工业氨生产方法存在高能耗和大量温室气体排放的问题。在追求可持续替代品的过程中,电催化氮还原为氨(NRR)成为在环境条件下合成绿色氨的有前途的途径。然而,N2溶解度非常有限,并有难以解离的强N≡N键,导致NH3产率和法拉第效率(FENH3)非常不理想。
如今,工业化的快速发展带来了亚硝酸盐(NO2–)排放的显著增加,导致严重的环境污染,威胁着人类健康。鉴于NO2–与N2相比,NO2–表现出更高的水溶性和更低的N=O键解离能,电催化NO2–还原成NH3(NO2RR)在动力学上比NRR更有利于氨的电合成,同时可以减少NO2–污染物以保护生态系统。
然而,NO2RR是一种复杂的六电子转移反应,涉及各种副产物,并受到竞争性析氢反应(HER)的阻碍,因此必须寻找高效和选择性的催化剂,以提高NO2RR的活性和对NH3生成的选择性是极其重要的。
单原子合金(SAA)最近被证实具有多种电催化反应的巨大潜力,因为SAAs集成了单原子催化剂和合金催化剂的优点。其中,Cu-SAAs因其优异的催化活性和可促进加氢特性而成为极具潜力的NO2RR催化剂,同时Rh已被证明可以有效激活含氮分子以进行选择性NH3催化,而Rh合金化可以优化生成的中间体的吸附/解吸,以增强催化活性。因此,我们预计将单原子Rh引入Cu基底制备成CuRh1单原子合金,作为一种的高效的NO2RR化剂。
近日,来自兰州交通大学的褚克教授和河南大学的康朝阳教授合作在Advanced Functional Materials上发表了题为“Tandem Electrocatalytic Reduction of Nitrite to Ammonia on Rhodium–Copper Single Atom Alloys”的研究文章。文章证明了Rh单原子被锚定Cu基底中可以作为一种高效稳定的NO2RR催化剂。理论计算结合原位光谱(FTIR/EPR)实验,揭示了Rh1和Cu的协同作用,并通过串联催化途径促进NO2RR。其中Rh1激活NO2–的初步吸附和氢化(NO2–→*NO2→*NOOH→*NO),而Rh1上生成的*NO随后转移到 Cu 基底上,促进了 *NO → *NHO 的速率决定步骤,从而实现 NH3 的串联催化合成。在流动电解池中的CuRh1在322.5 mA cm-2的高电流密度下,获得的NH3 产率为2191.6 µmol h-1 cm-2,NH3法拉第效率为98.9%。
图4. 原位FTIR/EPR光谱分析CuRh1的NO2RR反应过程
J. Xiang, C. Qiang, S. Shang, K. Chen, C. Kang*, K. Chu*, Tandem Electrocatalytic Reduction of Nitrite to Ammonia on Rhodium–Copper Single Atom Alloys. Adv. Funct. Mater. 2024, 2401941. https://doi.org/10.1002/adfm.202401941
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