电催化新突破！上海硅酸盐研究所「国家杰青」黄富强，最新JACS！

研究背景

氨（NH₃）是重要的化工原料，广泛用于生产肥料。传统的氨合成方法-哈伯-博世法，在高温高压下进行，能耗巨大且伴随着大量的二氧化碳排放。因此，开发一种在常温常压下进行的氨合成方法具有重要的经济与环境意义。电催化亚硝酸还原（NO₂RR）是一个有前景的途径，可以在环境温度下将亚硝酸盐还原为氨，同时还可以消除水中的氮污染。然而，现有的电催化剂通常在多电子与多质子传递过程中存在低活性和选择性问题，限制了其实际应用。因此，发展高效的电催化剂对于亚硝酸还原反应（NO₂RR）至氨的转化至关重要。

成果简介

基于此，大连理工大学杨明辉教授、瑞典皇家理工学院Tore Brinck教授、中国科学院上海硅酸盐研究所黄富强、王家成研究员等人合作提出了铜锌氰胺（Cu₀.₈Zn₀.₂NCN）固溶体催化剂，通过引入锌元素，调节催化剂表面电荷分布，增强了亚硝酸根（NO₂⁻）的吸附与反应性。该研究以“A Copper−Zinc Cyanamide Solid-Solution Catalyst with Tailored Surface Electrostatic Potentials Promotes Asymmetric N‑Intermediate Adsorption in Nitrite Electroreduction”为题，发表在《Journal of the American Chemical Society》期刊上。

研究亮点

1、创新的催化剂设计：本研究提出了一种铜锌氰胺固溶体（Cu₀.₈Zn₀.₂NCN），通过引入锌原子调节表面电荷电势，实现了亚硝酸根（NO₂⁻）的强而不对称的吸附，进而提高了氨的选择性。

2、卓越的电催化性能：Cu₀.₈Zn₀.₂NCN催化剂在NO₂RR中的法拉第效率达到了接近100%，氨产率为22 mg·h⁻¹·cm⁻²，是现有催化剂中最优的之一。

3、可持续的工业应用：通过配对电解精炼（PER）系统，Cu₀.₈Zn₀.₂NCN催化剂在工业电流密度下表现出出色的稳定性和氨产量，表明其在实际应用中的潜力。

图文解读

图1 Cu0.8Zn0.2NCN固溶体电催化剂提高NO2RR性能的机理图

图2 Cu0.8Zn0.2NCN固溶体电催化剂的结构表征

图3 Cu0.8Zn0.2NCN固溶体电催化剂和对照样品对NO2RR的电催化性能

图4 Cu0.8Zn0.2NCN固溶体电催化剂NO2RR机理分析

图5 理论计算分析

图6 使用MEA反应器在PER系统中合成氨和甲酸盐

总结展望

本研究成功设计了Cu₀.₈Zn₀.₂NCN固溶体催化剂，并证明了其在电催化亚硝酸还原反应中的优异性能。锌的引入不仅提高了催化剂的稳定性，还调节了其表面电势，促进了NO₂⁻的吸附与还原。通过理论与实验结合的方式，揭示了其催化机制。固溶体材料的设计与表面电势调节将为催化领域提供新的思路。此外，Cu₀.₈Zn₀.₂NCN催化剂的工业化应用前景广阔，尤其是在电解精炼系统中的应用，将为清洁能源的实现提供有效的催化技术。

文献信息

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