郭春显ACS Catal.: 抽丝剥茧！探究铜催化剂对硝酸盐还原为氨的优越性能的三个基本问题

电催化硝酸盐还原成氨(NRA)对环境修复和节能至关重要。铜是最有前途的非贵金属 NRA电催化剂之一，但其固有的小平面催化活性和pH值影响尚不清楚。

为了解决NRA铜催化剂的三个基本问题：发生在铜上的NRA途径、NRA与铜析氢反应(HER)之间的竞争关系和最适合NRA的Cu表面。苏州科技大学郭春显团队使用密度泛函理论(DFT)计算来确定中间体的自由能，并计算出NRA以及竞争性HER的自由能关系图。

通过密度泛函理论(DFT)计算，在不同pH值下，在低指数晶体表面Cu(111)、Cu(100)和Cu(110) 上评估硝酸盐还原为氨的途径。系统热力学和动力学分析表明，在所有pH范围内最有可能的途径为NO₃^–→*NO₃→*NO₂→*NO→*NOH→*NHOH→*NH→*NH₂→*NH₃→NH₃(g)，结束了关于NRA途径的长期争论。

另外，NRA中的催化脱氧和加氢过程都受到pH值的显着影响。因此，速率决定步骤和过电位表现出pH依赖性特征。

此外，研究人员还发现pH影响析氢反应(HER)和NRA之间的竞争。通过考虑不同表面上的 NRA和HER，发现除了Cu(110)之外，Cu(100)和Cu(111)对NRA的贡献最大。

具体而言，在近中性和碱性环境中，Cu(111)表现出最佳的NO₃^–-NH₃性能，而Cu(100)在强酸性环境中性能较好。铜表面的NRA活性差异归因于局部配位环境和表面原子的电子状态。由于立体定向的Cu-Cu对，在Cu(111)和Cu(100)上实现了强*NOH吸附和弱*NH₃吸附，促进了优异的NRA。

Theoretical Insights into Superior Nitrate Reduction to Ammonia Performance of Copper Catalysts. ACS Catalysis, 2021. DOI: 10.1021/acscatal.1c03666

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郭春显ACS Catal.: 抽丝剥茧！探究铜催化剂对硝酸盐还原为氨的优越性能的三个基本问题

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