大连化物所实现铜晶面串联催化促进电化学还原硝酸盐合成氨

近日，大连化物所催化基础国家重点实验室汪国雄研究员和包信和院士团队在电化学合成氨研究中取得新进展，发展了一种原位衍生的高性能Cu纳米片催化剂，提出了Cu晶面串联催化促进电化学还原NO3-合成NH3的有效策略，并加深了对Cu催化剂上NO3-转化为NH3反应机制的理解。
 
　　电催化还原将硝酸盐(NO3-)污染物转化为高附加值的氨(NH3)，为氮资源循环利用提供了一种有前景的解决途径。NO3-转化为NH3需要经历复杂的多步质子电子转移过程，导致动力学速率缓慢，过电势高。同时，竞争性析氢反应(HER)降低了NH3法拉第效率及分电流密度。因此，硝酸盐电催化还原(NO3-RR)的关键是设计制备高活性、高选择性和高稳定性的催化剂。

本工作报道了一种电化学原位衍生的高性能铜(Cu)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(RHE)条件下获得了665 mA cm-2的NH3分电流密度和1.41 mmol h-1 cm-2的NH3产率。该催化剂表现出700 h的高稳定性，在365 mA cm-2电流密度下，NH3法拉第效率保持在~88%。电化学原位谱学表征结果表明，氧化铜(CuO)纳米片在RR反应条件下被原位还原为金属Cu，提供了NO3-电化学还原的活性位点。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Cu纳米片的高性能归因于Cu(100)和Cu(111)晶面的串联催化作用。由于Cu的不同晶面上静电势的差异导致NO3-吸附强弱的差别，其中Cu(100)更容易吸附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NH3的生成。
 
　　相关工作近日以“Enhancing Electrochemical Nitrate Reduction to Ammonia over Cu Nanosheets via Facet Tandem Catalysis”为题发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。该工作第一作者是我所502组博士研究生付云凡和博士后王硕。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。