标题：Direct ammonia synthesis from the air via gliding arc plasma integrated with single atom electrocatalysis

第一作者:Angjian Wu

通讯作者:Aiqin Wang

研究内容

工业氨合成彻底改变了全球农业和工业，但它消耗大量能源并释放大量 CO 2。一种替代方法是，电催化氮还原通常存在氨产率低和选择性差的问题。在这里，提出了一种串联的“等离子体电催化”策略来从空气中收集氨。在 -0.33 V vs. RHE 下稳定运行超过 50 小时期间，实现了氨产率（~1.43 mg NH3 cm -2 h -1）和几乎 100% 的法拉第效率。氨产率达到~3.0 mg NH3 cm -2 h -1在 -0.63 V 与 RHE 相比，法拉第效率约为 62%。这种显着的性能是通过非热等离子体分离稳定氮分子的活化，然后通过钴单原子电催化剂选择性合成氨来实现的。基于技术经济分析，这种策略可以与 Haber-Bosch 工艺和分布式小尺寸氨生产中的理想电化学氮还原相媲美。

要点一：

单原子电催化结合等离子体射流从空气中生成NH3，展示了一种串联等离子体电催化工艺，将 NTP 与传统电催化相结合，用于直接从空气中高效生产 NH 3。温暖的等离子体（滑动弧）中的溶液采用以转换空气进入NO X，接着NO的电催化还原X为NH3。使用具有孤立活性位点独特电子特性的单原子催化剂来改善质子/电子向活性位点的转移并抑制HER。

要点二：

为了了解这种具有四态（气体-等离子体-液体-固体）物质转化的独特的空气到 NH 3路线，对 NTP 动力学、电催化和 DFT 进行了深入研究。结果表明，电子诱导的振动激发促进了空气活化，而 Co SAs/NC 的协调调制促进了*NH3解吸强化*H吸附。通过理解和优化NTP和电催化之间的协同作用，使用间歇性可再生能源的串联“等离子体-电催化”策略具有巨大的潜力，为从惰性分子（例如CO 2，CH）合成其他重要平台化学品开辟了一条新途径。

图1。(A)从空气模式合成NH 3的串联 NTP-电催化方案。(B) Co SAs/NC 的 HR-TEM 图像。比例尺：20 nm。(C) Co SAs/NC 催化剂的 HAADF-STEM 图像，比例尺：2 nm。(D) NC 和 Co SAs/NC 催化剂的 N1s XPS 光谱。（E）共同K-边缘XANES轮廓和（F）联合K边缘ķ 2加权在钴SAS / NC催化剂和参照样品含有Co箔的CoO和Co卟啉的r2空间FT-EXAFS（CO- PTT）。(G) R 空间对应的 EXAFS 拟合曲线。

图 2。基于等离子体-电催化策略的NH 3生产活性。(A) 等离子体射流和电解液之间的距离、(B) 施加电压、(C) 气体流速和 (D) N 2 /O 2比率对-0.33 V 与NH 3产率和法拉第效率的影响。RHE。

图 3。等离子体化学和 DFT 计算。(A) RNS 在 NTP 中的估计反应途径（括号中的数字表示补充材料中的基本反应；线的粗细表示相应反应的估计重要性）。(B) 从 NO 2 -到 NH 3 的不同中间体的无反应曲线。(C) Co SAs/NC 结构。(D) Co SAs/NC 表面 H 的计算吸附能。

参考文献：

Angjian Wu,Ji Yang,Bo Xu,Xiao-Yu Wu,Yuhang Wang,Xingjie Lv,Yichen Ma,

Aoni Xu,Jiageng Zheng,Qinhuai Tan,Yaqi Peng,Zhifu Qi,Haifeng Qi,Jianfeng Li, Yaolin Wang,Jonathan Harding,Xin Tu,Aiqin Wang,Jianhua Yan,Xiaodong Li，Appl.Catal.B,2021.

DOI:10.1016/j.apcatb.2021.120667.