厦大EES：原位重构Ru/β-Co(OH)2界面弱化d-p轨道杂化，加速硝酸盐电还原为氨

目前工业氨生产的主要方法是Haber−Bosch工艺(H₂ + N₂→NH₃)，其在高温(300 ~ 500℃)和压力(15 ~ 35 MPa)下消耗大量能量并且产生大量的CO₂。最近，电催化硝酸盐还原反应(NtrRR)是一种低能耗且绿色的氨制备方法，其具有低的理论电极电位(NO₃⁻ + 8e⁻ +7H₂O→NH₃·H₂O + 9OH⁻，−0.12 V vs SHE)；可溶性硝酸盐广泛分布在工农业废水中，造成了严重的污染，将硝酸盐转化为高附加值的氨对环境保护和能源利用都具有重要意义。

然而，由于复杂的多电子耦合质子转移过程，NtrRR在动力学上仍然缓慢。因此，开发具有高活性和法拉第效率的NtrRR催化剂对于推动电催化硝酸盐还原的发展具有重要意义，特别是在大电流密度的情况下。

基于此，厦门大学梁汉锋课题组开发了一种掺杂Ru的Co金属(RuCo)纳米片“预催化剂”，其中Ru/Co比为3.08，并且该催化剂在反应中原位重构为Ru/β-Co(OH)₂异质结构。催化剂原位重构不仅在异质界面上使得电子重新分布，导致界面缺电子Ru位点和*NH₃中间体之间的d-p轨道杂化减弱，而且充分利用了Ru的高NtrRR活性和Co(OH)₂有利的水解离的协同作用，促进了高选择性硝酸盐还原为氨。

因此，在1 M KOH/0.1 MKNO₃混合电解液中，Ru/β-Co(OH)₂异质结构在仅0.071 V的电位下实现了−250 mA cm⁻²的高电流密度，氨的法拉第效率为98.4%；并且在0.01 V的电位下能够产生−500 mA cm⁻²的高工业水平电流密度，氨法拉第效率为98.78%，超过了之前报道的绝大多数高性能NtrRR催化剂。

同时，该催化剂能有效净化硝酸盐浓度低于31 ppm的硝酸盐污水。此外，研究人员利用Zn-硝酸盐电池进一步证明了Ru/β-Co(OH)₂异质结构催化剂具有优越的NtrRR性能，该流动池功率密度为29.87 mW cm⁻²和氨的产率高达0.38 mmol h ⁻¹ cm⁻²，优于许多其他类似的Zn-硝酸盐/亚硝酸盐电池。

Weakened d-p Orbital Hybridization in In Situ Reconstructed Ru/β-Co(OH)₂ Heterointerfaces for Accelerated Ammonia Electrosynthesis from Nitrates. Energy & Environmental Science, 2023. DOI: 10.1039/D3EE00371J

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