第一作者:Biao Zhou, Linghao Yu
通讯作者:艾智慧,张礼知、黄义
通讯单位:华中师范大学,上海交通大学
论文速览
电化学硝酸盐还原反应(NO3RR)能够将硝酸盐(NO3-)转化为可重复使用的氨(NH3),为硝酸盐废水和氨合成提供了一种绿色处理和资源利用策略。本文研究了一种铜铁双位点催化剂,通过在纳米零价铁(nZVI)的非晶态铁氧化物壳上锚定铜单原子来实现硝酸根(NO3-)的电化学还原反应(NO3RR),以高效地将NO3-转化为可重复使用的氨(NH3)。
这种催化剂在中性pH和50 mg L-1 NO3--N的硝酸盐浓度条件下,实现了94.8%的NO3-去除效率和99.2%的NH3选择性,大大超过了nZVI对照组的性能。其归因于Fe位点上增强的NO3-吸附和单原子Cu位点上加强的水活化作用,降低了决速步骤*NO转化为*NOH的能量障碍。
本工作开发了一种制造双位点催化剂以增强NO3-电合成NH3的新策略,并为中性硝酸根废水处理提供了一种环境可持续的方法。
图文导读
图1:Fe@Cu1FeOx的合成方案、HAADF-STEM图像。
图2:Fe@FeOx和Fe@Cu1FeOx在不同条件下的LSV曲线、不同Cu/Fe(wt%)样品的NO3RR性能、不同电位下的Fe@Cu1FeOx的NO3RR性能。
图3:Fe@FeOx和Fe@Cu1FeOx在水和重水溶液中的LSV曲线、电化学NO3RR的动力学同位素效应。
图4:Fe@FeOx和Fe@Cu1FeOx的结构模型、H2O吸附的能量和电荷转移、H2O活化过程的动力学能量障碍、硝酸根吸附能量、NO3RR所有电化学路径的自由能图。
图5:联用电解槽的示意图、处理模拟和实际NO3--污染水的N回收率变化和NO3去除效率、(NH4)2SO4(s)产品的XRD分析结果。
总结展望
本研究成功构建了Cu1-Fe双位点催化剂Fe@Cu1FeOx,通过简单的溶液还原法实现了在中性条件下从NO3-高效、持久地电合成NH3。Fe@Cu1FeOx具有单原子Cu分散在nZVI的FeOx壳层中,形成了Cu1-Fe双位点。
在中性pH和50 mg L-1 NO3--N的硝酸盐浓度条件下,Fe@Cu1FeOx展现出了94.8%的NO3-去除效率和99.2%的NH3选择性,以及超过20个周期的显著稳定性,非常适用于中性硝酸盐污染水处理和氮资源利用。通过耦合电化学NO3RR和NH3的原位回收的联用器件,实现了超过92%的氮回收率。
本研究提出了一种制造双位点催化剂以增强NO3-电合成NH3的新方案,并展示了一种将废物转化为利益的绿色策略,用于有效治理中性硝酸盐染水。
文献信息
标题:Cu1-Fe Dual Sites for Superior Neutral Ammonia Electrosynthesis from Nitrate
期刊:Angewandte Chemie International Edition
DOI:10.1002/anie.202406046
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