Haber-Bosch法是一种传统的氨(NH3)合成方法,它消耗了大量的能量,研究人员提出了通过电催化从硝酸盐(NO3-)合成NH3的替代路线。然而,构效关系仍然具有挑战性,需要在实验和理论上进行深入研究。
基于此,清华大学李俊华教授,王定胜副教授,尹海波博士,中国石化石油化工科学研究院Fang Wei(共同通讯作者)等人报道了一种锚定在氮(N)掺杂碳中的N配位Cu-Ni双原子催化剂(Cu/Ni-NC),该催化剂具有竞争活性,最大NH3法拉第效率为97.28 %。
本文通过DFT计算揭示了硝酸盐还原反应(NITRR)中合成NH3的反应机理和Cu/Ni-NC催化剂的高活性来源。
NO3-双齿吸附在Cu/Ni-NC的Cu-Ni双原子位点上,NO3-在Cu/Ni-NC上的吸附能明显低于Cu-NC和Ni-NC,表明Cu和Ni原子通过Cu-N-Ni构型发生协同作用。
从反应动力学的角度来看,在Cu/Ni-NC催化剂上生成N*中间体和NH3*比Cu-NC和Ni-NC更有利,并且具有较高的NH3选择性。
进一步的研究表明,Cu/Ni-NC催化剂的高活性主要来自于Cu-Ni双活性位点的贡献:
(1)电子转移(Ni→Cu)揭示了Cu-Ni双原子的强电子相互作用;
(2)Cu 3d、Ni 3d和NO3-的O 2p轨道的强杂化能加速电子从Cu-Ni双位点向NO3-的转移;
(3)Cu/Ni-NC能有效地降低速率决定步骤能垒,抑制N-N偶联生成N2O和N2等副产物。
N-Coordinated Cu-Ni Dual-Single-Atom Catalyst for Highly Selective Electrocatalytic Reduction of Nitrate to Ammonia. Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202207695.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202207695.
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