兰州交大褚克/天津大学韩晓鹏AFM：Ni1Ru单原子合金用于亚硝酸盐电催化还原合成氨

第一作者：王福州

通讯作者：褚克、韩晓鹏

单位：兰州交通大学、天津大学

研究背景

氨（NH₃）是一种重要的化学原料，也是碳中和能源载体，广泛应用于农业和工业领域。然而，工业规模氨的生产主要依赖于Haber-bosch工艺，这不仅需要大量的能源消耗，还导致CO₂过度排放。电催化氮还原（NRR）被认为是一种很有吸引力的合成可再生氨的方法。

但是，NRR过程中N₂在水溶液中的溶解性低和N≡N键键能高（927 kJ mol^-1），从而导致氨产率和法拉第效率（FE_NH3）较差。与之相比，亚硝酸盐（NO₂^–）具有较高的水溶性和低N=O键键能（204 kJ mol^-1）等优势。

并且亚硝酸盐是一种常见的环境污染物，在工业和生活废水中含量丰富，电催化将废水中的亚硝酸盐转化为NH₃是一种“变废为宝”策略。酸盐电催化还原为氨（NO₂RR）为同时实现高效的氨电催化合成和废水净化具有很大的前景，比NRR更具潜力。但是它是一个复杂的六电子转移过程，并且产生各种还原产物。因此，探索高性能的NO₂RR催化剂对于在限制不良反应的同时选择性的合成氨具有重要意义。

单原子合金（SAAs），即分散在宿主金属衬底上的孤立的外源金属原子，它结合了单原子催化剂和合金催化剂的优点。SAAs的合金化效应一方面可以有利于优化金属位点的电子结构，从而降低反应能势垒，促进催化活性。另一方面，SAAs不同金属之间的合金键合具有较强的电子相互作用，保证了SAAs优异的电催化稳定性。因此，我们预期将Ni单原子引入Ru基底中合成一种Ni₁Ru单原子合金，从而显著提高NO₂RR的催化性能。

工作介绍

近日，来自兰州交通大学的褚克教授和天津大学的韩晓鹏教授合作在Advanced Functional Materials上发表了题为“Electroreduction of Nitrite to Ammonia Over Ni₁Ru Single-Atom Alloys”的研究文章。

文章证明了在Ni单原子被锚定Ru基底中可以作为一种高效稳定的NO₂RR催化剂。实验和理论计算表明，孤立的Ni原子电子耦合相邻的Ru原子，不仅使Ni₁Ru具有较高的热力学稳定性，而且降低了从NO₂^–到NH₃的加氢能垒，和抑制氢的析出。Ni₁Ru组装在流动电解池中展示出37.5 mg h^-1 cm^-2的NH₃产率和93.9%的NH₃法拉第效率，这一性能几乎超过所有已报道的NO₂RR催化剂。

图文解析

兰州交大褚克/天津大学韩晓鹏AFM：Ni1Ru单原子合金用于亚硝酸盐电催化还原合成氨

图1. Ni₁Ru的形貌表征

图2. Ni₁Ru的结构表征

图3. Ni₁Ru的NO₂RR性能测试（H型电解池）

图4. 原位红外光谱分析Ni₁Ru的NO₂RR反应过程

图5. Ni₁Ru的NO₂RR理论计算

图6. Ni₁Ru的NO₂RR性能测试（流动电解池）

文献信息

F. Wang, H. Zhao, G. Zhang, H. Zhang, X. Han, K. Chu, Electroreduction of Nitrite to Ammonia Over Ni₁Ru Single-Atom Alloys. Adv. Funct. Mater. 2023, 2308072.

https://doi.org/10.1002/adfm.202308072

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兰州交大褚克/天津大学韩晓鹏AFM：Ni1Ru单原子合金用于亚硝酸盐电催化还原合成氨

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