余桂华ACS Nano: FE>90%! Fe-氰基-R NSs用于高速率NO3RR

氨(NH₃)是农业中必不可少的物质，也是作为氢载体的清洁能源的来源。然而，目前生产氨的主要方法是Haber-Bosch工艺，该工艺会导致大量能源消耗和严重的环境问题。与氮(N₂) 还原相比，电化学硝酸盐还原反应(NO₃RR)具有更高的NH₃产率和法拉第效率，有望在常温常压下高效生产NH₃。

为了实现高效的NO₃RR，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华团队通过对二维(2D)铁基氰基配位聚合物纳米片进行原位电化学还原，成功制备出具有优异NO₃RR性能的Fe-氰基-R NSs。

由于硝酸盐在Fe⁰和具有丰富活性位点的超亲水表面上的强吸附性，二维Fe-氰基-R电催化剂在-0.5 V_RHE时对NH₃显示出高电催化NO₃RR活性(产率: 42.1 mg h^-1 mg_cat^-1)与法拉第效率(超过90%)。

此外，Fe-氰基-R电催化剂的维互连结构保证了在NO₃RR时的结构稳定性，从而实现了高效稳定的NO₃RR。还有就是，构建了基于氰基NSs双电极的同时用于NO₃RR和析氧反应(OER)的电解槽，能量效率达到了26.2%。

实验结果与密度泛函理论(DFT)计算表明，Fe-氰基-R NSs优异的NO₃RR活性可归因于原位拓扑转化和铁氰基电还原为金属铁和具有超亲水表面的二维多孔纳米结构以增强传质:

1.通过原位氰配位聚合物的电化学生成，可以改变电催化剂的电子构型和表面性质以优化硝酸盐吸附能；

2.超亲水且富含缺陷的表面提供了增加的ECSA和电解质与集流体之间的接触，有利于分子吸附；

3.二维纳米片结构的互连多孔通道为电解质扩散和电子传输提供了快速传输途径。

此外，二维互连结构缓解了电催化过程中纳米片重新堆叠的问题，使NO₃RR催化活性稳定且高效。

Porous Two-dimensional Iron-Cyano Nanosheets for High-rate Electrochemical Nitrate Reduction. ACS Nano, 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c08814

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