支春义/彭超/郭瑛Nature子刊：构建FePc/TiO2催化剂，实现酸性电化学NO3−高效还原为NH3

电化学硝酸盐还原反应(NO₃⁻RR)由于能够处理废水中的NO₃⁻和合成NH₃，近年来受到人们的广泛关注。此外，由于NO₃⁻在催化剂表面的强吸附和低活化能，NO₃⁻RR表现出比氮还原和传统的Haber-Bosch工艺更高的NH₃产率和更低的能耗。因此，NO₃⁻RR对环境保护、绿色NH₃生产和能源利用具有重要意义。

与中性/碱性条件相比，在强酸性条件下直接还原NO₃⁻具有独特的优势。例如，可以避免NH₃在中性/碱性电解质中的释放，并且可以直接获得易于被植物吸收的铵肥(即NH₄NO₃和(NH₄)₂SO₄)。同时，随着反应的酸性增强，NO₃⁻的连续加氢反应可以提供丰富的质子，从而提高NO₃⁻的转化率。然而，目前很少有人对酸性NO₃⁻RR进行研究。

近日，香港城市大学支春义、中国科学院深圳先进技术研究院彭超和深圳大学郭瑛等将TiO₂纳米片与Fe酞菁杂化(FePc/TiO₂)，用于在酸性条件下高效节能催化NO₃⁻RR。

原位傅里叶变换光谱学(FTIR)和理论计算结果显示，与Ti相比，NO₃⁻优选吸附在Fe位点上，意味着Fe更可能是NO₃⁻RR的活性位点；并且，与纯的FePc和TiO₂相比，FePc/TiO₂上NO₃⁻RR的速率控制步骤(*NO→*NOH)的能垒较低，表现出更高的催化活性。值得注意的是，FePc/TiO₂催化剂对HER显示出显著的惰性，这进一步提高了NO₃⁻转化为NH₃的选择性。

因此，所制备的FePc/TiO₂催化剂在酸性(pH=1)条件下的NH₃产率为17.4 mg h⁻¹ cm⁻²，NH₃的法拉第效率(FE)高达90.6%。同时，以FePc/TiO₂为正极的碱酸混合锌-硝酸盐电池(AAHZNB)具有高达1.99 V的开路电压和91.4 mW cm⁻²的功率密度，可用于高效回收环境中的硫。

此外，研究人员还设计了FePc/TiO₂作为阴极N₂H₄-NO₃⁻燃料电池，其在1 mA cm⁻²处的放电电压为0.75 V，峰值功率密度为11.5 mW cm⁻²；在不同电压下放电时，NH₃FE保持在80%左右。综上，该项研究不仅展示了酸性NO₃⁻RR在NH₃电合成方面的优越性，并且证明了NO₃⁻基燃料电池具有很强的实用性。

Electrochemical nitrate reduction in acid enables high-efficiency ammonia synthesis and high-voltage pollutes-based fuel cells. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-43897-6

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支春义/彭超/郭瑛Nature子刊：构建FePc/TiO2催化剂，实现酸性电化学NO3−高效还原为NH3

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