Chem. Eur. J. ：低过电位、宽pH高效合成氨

辽宁大学清洁能源化学研究院孙颖等人报道了通过原位电沉积法将氧化钌（RuO₂）和氧化铋（Bi₂O₃）修饰到功能化碳纸基底（FEG）上，制备出新型自支撑电极RuO₂-Bi₂O₃/FEG。这项工作将过渡金属和主族金属活性位点相结合，实现了低过电位下、宽pH范围内的高效电催化氮气还原产氨。

图1 a RuO₂-Bi₂O₃/FEG的扫描电镜图，内插图为RuO₂-Bi₂O₃/FEG的照片和RuO₂-Bi₂O₃/FEG与石墨碳纸的扫描电镜图；b RuO₂-Bi₂O₃/FEG在0.1M Na₂SO₄电解液中不同电压下的产氨效率和法拉第效率；c RuO₂-Bi₂O₃/FEG在-0.2 V (vs. RHE)下不同电解液中的产氨效率和法拉第效率；d RuO₂-Bi₂O₃/FEG电催化产氨机理示意图

氨具有能量密度高、氢含量高、无碳和易液化等特点，是“双碳”背景下极具发展前景的氢能载体。目前，氨的工业生产仍依赖于传统的Haber-Bosch法，导致大量的二氧化碳排放和能源消耗。电催化氮气还原产氨（NRR）可使热力学非自发的合成氨反应在电能的驱动下打破热力学平衡的束缚，实现常温、常压下氨的合成。凭借节能与环境友好等优势，该合成氨路线受到国内外研究者的广泛关注。然而，NRR的氨产率和法拉第效率仍然偏低且过电位高，无法满足工业化生产的要求。因此，设计具有优异选择性的高效NRR电催化剂，在低过电位下实现高法拉第效率和氨产率尤为重要。

辽宁大学清洁能源化学研究院孙颖等人通过原位电沉积法将一定比例的RuO₂和Bi₂O₃纳米颗粒同时修饰到部分氧化并剥离的石墨碳纸（FEG）表面，得到自支撑电催化剂RuO₂-Bi₂O₃/FEG。值得注意的是，RuO₂-Bi₂O₃/FEG在-0.2 V（相对于可逆氢电极）的低电位下对电催化氮气还原氨展现出良好的催化性能（氨产率: 4.58 ± 0.16 μg_NH3 h^-1 cm^-2; 法拉第效率: 14.6%）。这一优异的催化性能主要得益于Bi 6p轨道与N 2p轨道间强的相互作用有效降低了氮气分子的活化能并抑制析氢副反应的发生，同时Ru作为催化活性中心也对氮气还原产生促进作用。

此外，FEG作为理想的自支撑碳基载体，其优异的电子传输性能、高的比表面积和丰富的含氧官能团促进了RuO₂和Bi₂O₃纳米颗粒在其表面的均匀生长，避免了粘结剂的使用，为电催化NRR提供更多的活性位点并加速反应过程中的电子传输，进一步提高了RuO₂-Bi₂O₃/FEG的催化活性。这一研究为构筑新型高效的NRR电催化剂提供了新思路。

论文信息：

Synergy of Bi₂O₃ and RuO₂ Nanocatalysts for Low-Overpotential and Wide pH-Window Electrochemical Ammonia Synthesis

Qiaoling Wu,Prof. Bing Yu,Zizhao Deng,Tianyan Li,Dr. Hui Li,Prof. Baohua Jia,Dr. Peng Li,Prof. Wenping Sun,Prof. Xi–Ming Song,Dr. Ying Sun,Prof. Tianyi Ma

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202103143