Nature子刊：单原子用于电催化硝酸根制氨，产氨FE高达75%！

氨（NH₃）是世界最基本的化学原料之一，目前，工业规模的NH₃合成依赖于有百年历史的哈伯-博世工艺，该工艺需要恶劣的工作条件，包括使用异质铁基催化剂的高温（400-500°C）和高压（150-300大气压）条件。由于其巨大的产量和能源密集型生产流程，NH₃合成行业占世界能源供应的1-2%，并导致全球能源相关二氧化碳排放总量的1%左右。

电化学NH₃合成路线，在过去几年中吸引了巨大的兴趣。通过电化学氮还原反应（NRR），来自空气的氮气被确定为该可再生路线的主要氮源之一；然而，由于极稳定的N≡N三键（941 kJ mol⁻¹）及其非极性，NRR具有低选择性和活性。虽然NRR催化剂的开发取得了令人兴奋的进展，但在许多情况下，由于NH₃生产率极低，体系中的污染可能影响了产率的计算。因此，将N₂气体作为NH₃电化学合成的N源，尽管前景广阔，但要为实际应用提供可观的产量还有很长的路要走。

硝酸盐（NO₃^–）离子作为世界上最广泛的水污染物之一，成为一种有吸引力的氮源，替代惰性N₂，用于NH₃的电化学合成。开发高性能电催化剂，选择性地将硝酸盐废物减少为增值NH₃，这将开辟不同的硝酸盐处理途径，并对可持续的NH₃合成造成经济和环境影响。

近日，莱斯大学汪淏田和卡尔加里大学Samira Siahrostami在Nature Communications上发表了他们的最新工作，将单原子Fe催化剂（Fe SAC）用于电催化硝酸根制氨。

作者将Fe SAC沉积在标准玻碳电极上，在-0.66 V (vs RHE)提供的最大NH₃法拉达效率（FE）约为75%，在-0.85 V时，NH₃分电流密度高达~100 mA cm^-2。NH₃产率约为20,000 μg h⁻¹mg^-1_cat。重要的是，尽管Fe含量较低，但Fe SAC的NH₃产率显著高于Fe纳米颗粒催化剂。这种Fe单原子催化剂由于缺乏相邻金属位点，可以有效地防止N-N偶联步骤生成N₂，提高氨产物的选择性。用密度泛函理论(DFT)计算阐明了在Fe单原子位上NO₃^–还原为NH₃的反应机理。此外，作者还证明了NO*还原为HNO*和HNO*还原为N*是可能的限制步骤。

图文详情

图1. Fe单原子催化剂的合成与表征

图2. Fe单原子的结构分析

图3. 电催化硝酸根还原性能

图4. DFT理论计算

文献信息

Wu, ZY., Karamad, M., Yong, X. et al. Electrochemical ammonia synthesis via nitrate reduction on Fe single atom catalyst. Nat Commun 12, 2870 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23115-x

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Nature子刊：单原子用于电催化硝酸根制氨，产氨FE高达75%！

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