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支春義/彭超/郭瑛Nature子刊:構建FePc/TiO2催化劑,實現酸性電化學NO3?高效還原為NH3

支春義/彭超/郭瑛Nature子刊:構建FePc/TiO2催化劑,實現酸性電化學NO3?高效還原為NH3
電化學硝酸鹽還原反應(NO3?RR)由于能夠處理廢水中的NO3?和合成NH3,近年來受到人們的廣泛關注。此外,由于NO3?催化劑表面的強吸附和低活化能,NO3?RR表現出比氮還原和傳統的Haber-Bosch工藝更高的NH3產率和更低的能耗。因此,NO3?RR對環境保護、綠色NH3生產和能源利用具有重要意義。
與中性/堿性條件相比,在強酸性條件下直接還原NO3?具有獨特的優勢。例如,可以避免NH3在中性/堿性電解質中的釋放,并且可以直接獲得易于被植物吸收的銨肥(即NH4NO3和(NH4)2SO4)。同時,隨著反應的酸性增強,NO3?的連續加氫反應可以提供豐富的質子,從而提高NO3?的轉化率。然而,目前很少有人對酸性NO3?RR進行研究。
支春義/彭超/郭瑛Nature子刊:構建FePc/TiO2催化劑,實現酸性電化學NO3?高效還原為NH3
支春義/彭超/郭瑛Nature子刊:構建FePc/TiO2催化劑,實現酸性電化學NO3?高效還原為NH3
近日,香港城市大學支春義中國科學院深圳先進技術研究院彭超深圳大學郭瑛等將TiO2納米片與Fe酞菁雜化(FePc/TiO2),用于在酸性條件下高效節能催化NO3?RR。
原位傅里葉變換光譜學(FTIR)和理論計算結果顯示,與Ti相比,NO3?優選吸附在Fe位點上,意味著Fe更可能是NO3?RR的活性位點;并且,與純的FePc和TiO2相比,FePc/TiO2上NO3?RR的速率控制步驟(*NO→*NOH)的能壘較低,表現出更高的催化活性。值得注意的是,FePc/TiO2催化劑對HER顯示出顯著的惰性,這進一步提高了NO3?轉化為NH3的選擇性。
支春義/彭超/郭瑛Nature子刊:構建FePc/TiO2催化劑,實現酸性電化學NO3?高效還原為NH3
支春義/彭超/郭瑛Nature子刊:構建FePc/TiO2催化劑,實現酸性電化學NO3?高效還原為NH3
因此,所制備的FePc/TiO2催化劑在酸性(pH=1)條件下的NH3產率為17.4 mg h?1 cm?2,NH3的法拉第效率(FE)高達90.6%。同時,以FePc/TiO2為正極的堿酸混合鋅-硝酸鹽電池(AAHZNB)具有高達1.99 V的開路電壓和91.4 mW cm?2的功率密度,可用于高效回收環境中的硫。
此外,研究人員還設計了FePc/TiO2作為陰極N2H4-NO3?燃料電池,其在1 mA cm?2處的放電電壓為0.75 V,峰值功率密度為11.5 mW cm?2;在不同電壓下放電時,NH3 FE保持在80%左右。綜上,該項研究不僅展示了酸性NO3?RR在NH3電合成方面的優越性,并且證明了NO3?基燃料電池具有很強的實用性。
Electrochemical nitrate reduction in acid enables high-efficiency ammonia synthesis and high-voltage pollutes-based fuel cells. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-43897-6

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