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李燦/丁春梅ACS Catalysis:Cu1Co5合金高效電催化硝酸鹽還原制氨

李燦/丁春梅ACS Catalysis:Cu1Co5合金高效電催化硝酸鹽還原制氨
催化硝酸還原反應(NO3RR)為氨的生產提供了機會,其中多-電子和多-質子過程的緩慢動力學被認為是關鍵問題。基于此,中國科學院大連化學物理研究所李燦院士和丁春梅助理研究員等人報道了一種Cu1Co5合金,用于電催化NO3RR生成NH3。在0.075 V下,NH3的電流密度達到453 mA cm-2,法拉第效率(FE)達到96.2%,半電池能量效率達到44.9%,高于Cu、Co和其他Co基合金,是目前已報道的最高的半電池能量效率之一。
李燦/丁春梅ACS Catalysis:Cu1Co5合金高效電催化硝酸鹽還原制氨
通過DFT計算發現,將Cu和Co合金在一起導致Cu1Co5中的d帶中心向費米能級上移,減少了反鍵占據并加強中間體的吸附。Gibbs自由能圖和最穩定的吸附構型顯示,NO3?RR包括脫氧(*NO3→*NO2→*NO→*N)和加氫(*N→*NH→*NH2→*NH3)步驟。在Cu上,Gibbs自由能變化最大的階躍(ΔG)是*NO→*N,能壘為0.55 eV,而在原始Co上,Gibbs自由能變化最大的階躍是*NH→*NH2,能壘ΔG高達0.83 eV。Cu1Co5合金上*NO→*N的ΔG僅為0.50 eV,而*NH→*NH2的ΔG降至0.45 eV。
李燦/丁春梅ACS Catalysis:Cu1Co5合金高效電催化硝酸鹽還原制氨
此外,NO3?的吸附通常是NO3?RR的速率決定步驟(RDS),從上坡過程轉變為放熱過程,表明NO3?可自發地吸附在合金表面。然后*NO3被逐步裂解形成*NO,再經過一系列吸熱過程轉化為*NH3。因此,Cu和Co之間的合金形成改變了NO3?RR的電子性質,從而降低了NO3?RR關鍵步驟的熱力學能壘,特別是NO3?吸附,*NO→*N和*NH→*NH2
Bader電荷計算表明,對比原始Cu和Co,合金中Co和Cu的電子性質發生了明顯變化。總之,NO3?吸附和*NO→*N、*NH→*NH2過程均在熱力學上得到促進,從而使得NO3?RR對NH3在合金催化劑上具有較高的性能。
李燦/丁春梅ACS Catalysis:Cu1Co5合金高效電催化硝酸鹽還原制氨
Boosting Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia via Promoting Water Dissociation. ACS Catal., 2023, DOI: 10.1021/acscatal.3c02951.

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