研究促进电化学还原硝酸盐合成氨

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电催化还原将硝酸盐污染物转化为高附加值的氨，为氮资源循环利用提供了一种有前景的解决途径。近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员汪国雄和包信和院士团队，在电化学合成氨研究中取得新进展。他们发展了一种原位衍生的高性能铜纳米片催化剂，提出了铜晶面串联催化促进电化学还原硝酸盐合成氨的有效策略，并加深了对铜催化剂上硝酸盐转化为氨反应机制的理解。相关成果发表在《德国应用化学》上。

硝酸盐转化为氨需要经历复杂的多步质子电子转移过程，这导致了动力学速率缓慢，过电势高。同时，竞争性析氢反应降低了氨法拉第效率及分电流密度。因此，硝酸盐电催化还原的关键是设计制备高活性、高选择性和高稳定性的催化剂。

电化学还原过程示意图。大连化物所供图

本工作报道了一种电化学原位衍生的高性能铜纳米片催化剂。在流动相电解池中，该催化剂在-0.59 V vs. 相对可逆氢电极条件下获得了665 mA cm-2的氨分电流密度和1.41 mmol h-1 cm-2的氨产率。并且，该催化剂表现出了700h的高稳定性。物理化学和电化学表征以及密度泛函理论计算结果表明，原位衍生铜纳米片的高性能归因于Cu(100)和Cu(111)晶面的串联催化作用。而由于铜的不同晶面上静电势的差异，导致了硝酸盐吸附强弱的差别。其中Cu(100)更容易吸附硝酸盐（NO3-）并促进其转化为NO2-，产生的NO2-随后迁移在Cu(111)上进一步还原，从而促进了氨的生成。