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西电先进材料与纳米科技学院在“绿氨”制备领域取得重要进展

时间:2022-03-09 20:40

西电先进材料与纳米科技学院在“绿氨”制备领域取得重要进展

(通讯员 吴科明)近日,西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院应用化学系纳米光电化学与应用团队在电催化硝酸盐还原实现氨的绿色合成方面取得了重要进展。在国际著名期刊《ACS Materials Letters》上发表题为“Surface Reconstruction on Uniform Cu Nanodisks Boosted Electrochemical Nitrate Reduction to Ammonia”的研究论文。先进材料与纳米科技学院博士研究生吴科明为论文的第一作者,硕士研究生孙聪聪和学院青年教师王珍妮为论文的共同第一作者,学院青年教师白晓霞、王政和赵振环副教授为论文的共同通讯作者,西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院为论文第一单位。

实现碳达峰碳中和,是我国的重大战略决策,其关键是坚持生态优先、绿色低碳发展。氨是重要的工农业原料,也是潜力巨大的无碳能量载体。然而,目前全球氨的合成氨主要采用哈珀法,不仅能耗高,还会导致大量的温室气体排放。据统计,平均每生产一吨氨,排放约两吨二氧化碳气体。因而,开发“绿氨”制备技术,取代工业“灰氨”极为重要。同时,人类活动的增加和含氮肥料的过度使用已经导致地下水中硝酸盐积累,造成了严重的引用水污染,对人类的生命健康造成了严重的威胁。电催化还原硝酸盐合成氨是一种潜力巨大的清洁技术,其利用电催化的方法将污水中的硝酸根转化为氨,不仅能解决化工能源问题,而且可以有效缓解饮用水安全问题。因电催化还原硝酸盐合成氨的过程需要多电子和质子的参与,极易产生亚硝酸盐、氮氧化物、氮气等副产物。同时,在电催化过程中,其产氨选择性会受到析氢反应的严重制约。铜是电催化硝酸盐还原的高活性催化剂,然而具有均匀尺度的铜纳米结构的可控批量制备仍然是一大挑战,导致硝酸盐还原制备绿氨的反应机理缺乏统一的认识。基于此,研究人员首次合成了高活性和选择性(111)晶面暴露的均匀铜纳米片,结合XPSSTEM分析,发现直径为80 nm、厚度为7nmCu纳米片表面存在部分氧化的情形。

 

Cu纳米片形貌及组分表征

研究发现,Cu纳米片表面的氧化物组分在阴极极化过程会发生还原反应,形成周期性排列的Cu原子。理论计算发现,周期性的表面Cu原子不稳定,会发生表面重构形成稳定的由三个Cu原子组成的团簇,该团簇对硝酸根离子表现出更强的吸附性能。进一步的理论计算表明,硝酸根离子在三原子Cu团簇位点进行脱氧过程和加氢过程,形成最终产物氨,氨的产率高达2016 mgmg-1cath-1,其法拉第效率在-0.5 V vs RHE电位为81.1%

Figure 1

铜纳米片表面的重构过程及差分电荷分析

 

这一研究表明,在Cu纳米片表面,硝酸根离子的演化路径与传统的催化剂的反应机理不同,其根源在于阴极极化过程导致催化剂表面发生重构,形成了新的活性位点。这一研究深化了对于硝酸盐电催化还原过程的理解,为设计高效电催化合成氨催化剂提供了新思路。

硝酸根子在铜纳米片表面的催化机理

文章链接:

Keming Wu, Congcong Sun, Zhenni Wang, Qian Song, Xiaoxia Bai, Xin Yu, Qiang Li, Zheng Wang,Hui Zhang, Jian Zhang, Xin Tong, Yanping Liang, Ajit Khosla, Zhenhuan Zhao. Surface Reconstruction on Uniform Cu Nanodisks Boosted Electrochemical Nitrate Reduction to Ammonia, ACS Materials Letters 2022, 4, 650-656.

文章链接:http://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00149