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電催化還原將硝酸鹽污染物轉(zhuǎn)化為高附加值的氨，為氮資源循環(huán)利用提供了一種有前景的解決途徑。近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員汪國(guó)雄和包信和院士團(tuán)隊(duì)，在電化學(xué)合成氨研究中取得新進(jìn)展。他們發(fā)展了一種原位衍生的高性能銅納米片催化劑，提出了銅晶面串聯(lián)催化促進(jìn)電化學(xué)還原硝酸鹽合成氨的有效策略，并加深了對(duì)銅催化劑上硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氨反應(yīng)機(jī)制的理解。相關(guān)成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。
硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氨需要經(jīng)歷復(fù)雜的多步質(zhì)子電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，這導(dǎo)致了動(dòng)力學(xué)速率緩慢，過(guò)電勢(shì)高。同時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)性析氫反應(yīng)降低了氨法拉第效率及分電流密度。因此，硝酸鹽電催化還原的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)制備高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性的催化劑。
電化學(xué)還原過(guò)程示意圖。大連化物所供圖
本工作報(bào)道了一種電化學(xué)原位衍生的高性能銅納米片催化劑。在流動(dòng)相電解池中，該催化劑在-0.59 V vs. 相對(duì)可逆氫電極條件下獲得了665 mA cm-2的氨分電流密度和1.41 mmol h-1cm-2的氨產(chǎn)率。并且，該催化劑表現(xiàn)出了700h的高穩(wěn)定性。物理化學(xué)和電化學(xué)表征以及密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，原位衍生銅納米片的高性能歸因于Cu(100)和Cu(111)晶面的串聯(lián)催化作用。而由于銅的不同晶面上靜電勢(shì)的差異，導(dǎo)致了硝酸鹽吸附強(qiáng)弱的差別。其中Cu(100)更容易吸附硝酸鹽（NO3-）并促進(jìn)其轉(zhuǎn)化為NO2-，產(chǎn)生的NO2-隨后遷移在Cu(111)上進(jìn)一步還原，從而促進(jìn)了氨的生成。
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