​天大JACS: 碳载体强化传质和金属载体相互作用，促进低浓度NO电还原制NH3

尽管电催化NO还原反应(NORR)制氨具有操作安全和可持续的优势，但其中一个重要的挑战是NO在溶液中的溶解度差(在25 °C的水中约1.92 mmol L^-1 atm^-1)，因此反应物可用性不足。

事实上，对于涉及气体的电催化反应，特别是对于溶解度低的气体，气-固-液三相界面的可行传质是高效转化的先决条件，但容易被忽视。严重的传质限制导致低浓度NORR反应活性和选择性低。以前人们对NORR的研究主要集中在高浓度NO情况下来缓解这个问题，但是直接使用高浓度的NO气体造成额外的成本。除初始传质阶段外，还应考虑和优化NO的良好吸附和高选择性转化。因此，目前迫切需要设计具有强化传质和活化能力的低浓度NORR制NH₃电催化剂。

近日，天津大学张兵、于一夫和王雨婷等合成了多孔碳负载的超细铜团簇(Cu@Cu/C NWAs)催化剂，用于低浓度NO(3% NO/Ar)条件下高效催化NORR。

实验结果表明，在−0.1 V_RHE下，Cu@Cu/C NWAs具有较高的NH₃法拉第效率(93.0%)和产率(1180.5 μg h^-1 cm^-2)，优于Cu NWAs和其它已报道的催化剂。此外，Cu@Cu/C NWAs的NH₃产率和法拉第效率在12次循环后没有显示出明显的衰减，并且循环后材料的结构保持良好，证实了其优异的稳定性。

通过一系列实验和理论模拟发现，多孔碳载体的构建可以优化NO气体的迁移路径，降低气-固-液三相界面处的迁移能垒，从而提高催化剂表面的NO覆盖率；此外，多孔碳负载的超细Cu团簇由于具有有利的分子轨道，能够增强对NO的吸附，提高氢亲和力，从而以极低的反应能垒促进NO的加氢，这些结果共同促进了NO在低浓度下高效、高选择性的电还原为NH₃。

总的来说，该项工作提供了一个简便的方法来设计高效的电催化剂，以实现高度选择性地转化低浓度的NO为NH₃。

Carbon support enhanced mass transfer and metal–support interaction promoted activation for low-concentrated nitric oxide electroreduction to ammonia. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c00898