咨询电话:021-58952328
Angew. Chem. :双电层中电解质微环境的调控提升硝酸根电催化还原合成氨性能2024-09-05
电化学硝酸盐还原反应(NO3RR)是实现硝酸盐污染废水处理和氨可持续生产的一种具有广阔应用前景的方法。然而,它仍然受到合成氨的低活性、低选择性和低法拉第效率的限制。一方面,硝酸根向亚硝酸根的转化步骤是NO3RR的速率决速步,需要加速该步骤的反应动力学。另一方面,质子直接参与NO3RR中的多步脱氧/加氢步骤,合理调节质子供应对于提高NO3RR的性能至关重要。

众所周知,电催化反应发生在电极-电解液界面。除了开发高效电催化剂,调节电解液微环境是提高电催化性能的另一种有效手段。电解质微环境受多种因素影响,包括电解质浓度、局部pH、阳离子效应和阴离子效应等。研究表明,电解质微环境会极大地影响电催化反应的活性、选择性和法拉第效率。然而,有关电解液微环境对NO3RR性能影响的研究却鲜有报道。

近日,安徽大学的遇鑫遥教授团队和李鹏教授团队合作提出了一种通过调控电解液中碱金属阳离子来调节双电层中电解液微环境的策略,实现了NO3RR性能的有效提升。

1
以单质铜为模型催化剂,实验研究发现在不同碱金属阳离子电解液中NO3RR性能遵循Li+ < Cs+ < Na+ < K+的趋势。此碱金属阳离子调控策略可以拓展到两种典型的纳米结构电催化剂(Cu/Cu2O和NiPx)。在1 M KOH中,Cu/Cu2O催化剂实现了99.0%的硝酸根转化率、98.0%的氨选择性、99.5%的法拉第效率和980 μmol h-1 cm-2的合成氨产率。

6
DFT理论计算表明,K+能够在双电层中产生最负的静电势,加速溶液中的质子穿过双电层到达催化剂表面。COMSOL多物理场模拟表明,含K+的电解液环境可以在双电层中富集更多的NO3,并促进NO3还原为NO2,从而有利于NO3RR的整体反应动力学。该工作为提升硝酸根电催化还原合成氨性能的提升提供了一种新策略。

文信息

Modulating the Electrolyte Microenvironment in Electrical Double Layer for Boosting Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia

Weidong Wen, Dr. Shidong Fang, Dr. Yitong Zhou, Dr. Ying Zhao, Prof. Peng Li, Prof. Xin-Yao Yu

文章的第一作者为安徽大学的博士研究生温卫东和中国科学院合肥物质科学研究院的方世东博士

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202408382

最新产品
园区介绍