氨(NH3)被認(rèn)為是一種有前途的無(wú)碳能源載體，但其能源密集型生產(chǎn)過(guò)程仍然給全球科學(xué)家?guī)?lái)挑戰(zhàn)。由香港城市大學(xué)(城大)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最近設(shè)計(jì)了一種雙金屬合金作為超薄納米催化劑，可以大大提高從硝酸鹽(NO3-)生成氨的電化學(xué)性能，為在工業(yè)中獲得碳中性燃料提供了巨大的潛力。未來(lái)。
該研究結(jié)果發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)雜志上，標(biāo)題為“雙金屬合金納米結(jié)構(gòu)的原子配位環(huán)境工程，用于從硝酸鹽中高效電合成氨”。
常用于肥料的氨最近引起了很多關(guān)注，因?yàn)樗梢詾槿剂想姵靥峁湓?，而且比氫更容易液化和運(yùn)輸。由于其巨大的需求，從受銨化肥污染的廢水中升級(jí)回收硝酸鹽(NO3-)已成為生產(chǎn)有價(jià)值的氨并使農(nóng)業(yè)更加可持續(xù)的替代方案。
目前，電化學(xué)硝酸鹽還原反應(yīng)(NO3RR)被認(rèn)為是氨合成的一種有前景的解決方案。它主要包括使用金屬基電催化劑的脫氧和加氫步驟(即NO3-+9H++8e-?NH3+3H2O)。
“然而，NO3RR過(guò)程中產(chǎn)生的不良副產(chǎn)物和競(jìng)爭(zhēng)性析氫反應(yīng)(HER)顯然阻礙了氨生產(chǎn)的產(chǎn)率，”該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、城大化學(xué)系范占西教授說(shuō)道。
范教授的團(tuán)隊(duì)沒(méi)有像之前的其他研究那樣調(diào)節(jié)電催化劑的大小或尺寸，而是專注于改善活性位點(diǎn)，即底物分子在電催化劑表面結(jié)合并發(fā)生催化作用。
“釕(Ru)是一種作為NO3RR電催化劑的新興材料，但它也存在有利于HER的問(wèn)題，這導(dǎo)致其活性位點(diǎn)被不需要的活性氫高度占據(jù)，沒(méi)有足夠的面積將硝酸鹽還原成氨，”范教授解釋道。
為了克服這些挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)引入了另一種金屬——鐵(Fe)——來(lái)調(diào)節(jié)活性位點(diǎn)的原子配位環(huán)境。通過(guò)改變Ru位點(diǎn)的配位環(huán)境，優(yōu)化了Ru的電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而優(yōu)化了它們生產(chǎn)氨的催化活性。為了進(jìn)一步提高電催化劑的性能，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種一鍋合成方法，用于制造超薄納米片，這些納米片組裝成花狀結(jié)構(gòu)，稱為RuFe納米花。
這種新型雙金屬合金電催化劑具有高度穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，由于互補(bǔ)軌道可以實(shí)現(xiàn)有效的電子轉(zhuǎn)移和穩(wěn)定的價(jià)態(tài)，這也抑制了競(jìng)爭(zhēng)性HER并降低了NO3RR的能壘。此外，RuFe納米花的電化學(xué)活性表面位點(diǎn)測(cè)量為267.5cm2，遠(yuǎn)大于Ru納米片的105cm2，以便發(fā)生反應(yīng)。
值得注意的是，RuFe納米花表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能，具有出色的電荷轉(zhuǎn)移效率(稱為法拉第效率(FE))，為92.9%，氨的產(chǎn)率在-0.30和-0.65V時(shí)為38.68mgh-1mgcat-1產(chǎn)量幾乎是單一Ru納米片的6.9倍。
“這項(xiàng)研究表明RuFe納米花在下一代電化學(xué)能源系統(tǒng)中具有巨大潛力，”范教授說(shuō)。“我們相信這項(xiàng)工作可以刺激后續(xù)研究調(diào)節(jié)氨生產(chǎn)金屬基催化劑活性位點(diǎn)的原子配位環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)可持續(xù)的氮循環(huán)，以在未來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)碳能源。”
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