北京
研究内容
电催化亚硝酸盐还原（NO2RR）在环境条件下将含氮污染物转化为高价值氨（NH3）。然而，其多中间体和多电子耦合质子转移过程导致现有电催化剂的活性和NH3选择性低。
中国科学院上海硅酸盐研究所黄富强/王家成/瑞典皇家理工学院Tore Brinck/大连理工大学杨明辉合成了一种固溶体铜-锌氰胺（Cu0.8Zn0.2NCN），其具有局部结构畸变和定制的表面静电势，允许NO2-的不对称结合。表现出卓越的NO2RR性能，法拉第效率约为100%，NH3产量为22 mg h−1 cm−2，是此类工艺中最好的。带有Cu0.8Zn0.2NCN阴极的成对电解精炼厂在2.36 V下达到2000 mA cm−2，并在工业水平400 mA cm-2下保持完全运行超过140小时，NH3生产率约为30 mgNH3 h−1 cm−2。相关工作以“A Copper-Zinc Cyanamide Solid-Solution Catalyst with Tailored Surface Electrostatic Potentials Promotes Asymmetric N‑Intermediate Adsorption in Nitrite Electroreduction”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。
研究要点
要点1. 作者通过将锌原子掺入氰胺铜中探索了一种固溶体氰胺化合物，该化合物在氨合成中显示出优异的NO2RR活性和选择性。Zn的固溶体具有Cu0.8Zn0.2NCN的局部扭曲四面体构型，这有效地调整了NO2结合的表面静电势（VS（r）），并提高了材料的稳定性。
要点2. Cu0.8Zn0.2NCN在-0.5 V vs RHE下的法拉第效率（FE）为∼100%，NH3产量为22 mg h−1 cm−2。带有Cu0.8Zn0.2NCN阴极的成对电解精炼厂（PER）在400 mA cm−2的工业级电流密度下显示出约30 mg h−1 cm−2中令人印象深刻的氨生产率，超过140小时的电解稳定性。
要点3. 理论计算和原位光谱测量表明，与线性极化[NCN]2−配位的Cu−Zn位点可以将CuNCN-NO2−中的对称[Cu−O−N−OCu]转化为Cu0.8Zn0.2NCN-NO2-中的[Cu-N−O-Zn]不对称构型，从而增强吸附和键断裂。
这项工作表明了构建具有定制表面静电势的金属氰胺化合物用于先进电催化过程的有效性。
研究图文
图1. 设计Cu0.8Zn0.2NCN固溶体电催化剂以不对称吸附NO2−提高NO2RR性能的示意图。
图2. Cu0.8Zn0.2NCN固溶体电催化剂的结构表征。
图3. Cu0.8Zn0.2NCN固溶体电催化剂和对照样品对NO2RR的电催化性能。
图4. Cu0.8Zn0.2NCN固溶体电催化剂NO2RR机理分析。
图5. 使用MEA反应器在PER系统中连续联产氨和甲酸盐。
文献详情
A Copper-Zinc Cyanamide Solid-Solution Catalyst with Tailored Surface Electrostatic Potentials Promotes Asymmetric N‑Intermediate Adsorption in Nitrite Electroreduction
Jiacheng Jayden Wang, Huong T. D. Bui, Xunlu Wang, Zhuoran Lv, Huashuai Hu, Shuyi Kong, Zhiqiang Wang, Lijia Liu, Wei Chen, Hui Bi, Minghui Yang,* Tore Brinck,* Jiacheng Wang,* Fuqiang Huang*
J. Am. Chem. Soc.
DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5c00837
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