网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

《JACS》南科大肖欣/徐强,复旦李巧伟: 水凝胶催化体系实现硝酸根选择性电催化制氨!

0
分享至


第一作者:李发艳,初秉宪,彭俊文

通讯作者:肖欣,李巧伟,徐强

通讯单位:复旦大学,南方科技大学

论文DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c09690

全文速览

本文针对Cu基催化剂在硝酸根还原制氨(NO3RR)过程中界面活性氢供给与利用难以兼顾的问题,构筑了Cu@PANa/CF界面水凝胶催化体系。PANa水凝胶在Cu纳米阵列表面形成亲水性氢键网络,通过调控界面水、活性氢及含氮中间体,实现了对反应路径和竞争反应的协同调控。Cu@PANa/CF在宽电位窗口内NH3法拉第效率超过90%,−0.3 V vs. RHE时最高达到98%,低过电位下NH3生成速率约为Cu/CF的2倍。结合多尺度结构表征、原位光谱、电化学测试及理论计算,本文系统揭示了PANa“促进活性氢生成与稳定 + 氢键稳定关键中间体”的双重作用机制,从而实现NO3−向NH3的高效、高选择性转化。

背景介绍

NO3RR是一种具有应用潜力的绿色氨合成路径,但其多步质子耦合电子转移过程涉及复杂的含氮中间体转化,对界面活性氢的供给和利用提出了较高要求。Cu基催化剂虽然具有良好的NO3RR活性,但其界面活性氢供给存在明显的电位依赖性矛盾:在较低电位下,水解离动力学缓慢,导致活性氢供应不足;而在较高电位下,活性氢通量增加,却容易转向HER,造成活性氢的无效消耗。

因此,NO3RR面临的关键问题并非简单地增加活性氢生成,而是如何在界面上持续产生、有效稳定并定向利用活性氢,使其优先参与NO3−连续氢化,而非进入HER等竞争路径。传统的电子结构调控主要聚焦于改变金属活性位点本身,对于催化剂界面微环境中水、活性氢与反应中间体之间的协同关系关注相对有限。因此,构建能够同时调控界面水行为、活性氢命运及中间体稳定性的功能化界面,是突破NO3RR选择性限制的关键。

研究出发点

针对上述问题,本文提出利用PANa水凝胶构建Cu表面氢键网络,从催化剂界面微环境而非单纯电子结构调控的角度,实现活性氢的精准管理。PANa具有丰富的羧酸根基团和亲水性,可在Cu纳米阵列表面形成稳定的三维氢键网络,为界面水富集、活性氢生成与稳定以及含氮中间体调控提供协同作用。

图文解析


图1. 合成与表征。(a)合成示意图,(b)XRD图,(c)FTIR光谱,(d)SEM图,(e)HRTEM图,以及(f)HAADF-STEM图和对应的EDX元素映射图。

多尺度综合表征证实PANa水凝胶均匀包覆于Cu纳米阵列表面。


图2. 电催化硝酸根还原产氨性能评估。(a)LSV曲线,(b)产氨法拉第效率,(c)产氨速率,(d)半电池能量效率,(e) 1H NMR谱,(f)UV-Vis与NMR测试结果对比,(g)循环稳定性测试,(h)与文献报道性能对比。

性能评估显示,Cu@PANa/CF具有优异的硝酸根还原性能,在宽电位窗口内NH3法拉第效率均超过90%,−0.3 V vs. RHE时最高达到98%,较低电位下NH3生成速率约为Cu/CF的2倍,同时表现出良好的稳定性。


图3. EIS测试。(a,b)在1.0 M KOH中的Bode图,(c,e)在1.0 M KOH + 0.1 M KNO3中的Bode图,(d,f)Nyquist图。

EIS证实,PANa改变了Cu表面活性氢的生成—消耗动力学,使界面具有更高的活性氢稳态覆盖度,从而为硝酸根的连续氢化提供持续的活性氢。


图4. 光谱与电化学表征相结合揭示反应路径。(a,b)原位电化学ATR-SEIRAS光谱,(c)1.0 M KOH中的CV曲线,(d)t-BuOH淬灭实验,(e)EPR谱图,(f–i)不同条件下的电化学反应路径示意图。

原位红外、CV及 t-BuOH 淬灭实验共同表明,PANa通过调控Cu界面微环境,增强NO3−吸附并维持富H环境,从而加速NO2等关键中间体的连续氢化。进一步结合EPR与原位拉曼表征发现,PANa引入后有效抑制了O2相关竞争反应,使界面电子与活性氢更优先参与NO3−还原,最终推动NO3−向NH3的高选择性转化。


图5. 理论计算。(a)吸附NO3RR中间体的优化结构模型,(b)自由能图,(c)吸附的*NO2H电子局域函数,(d)H2O分子的吸附能,(e)H2O解离反应的自由能图,以及(f)HER的吉布斯自由能图。分子模型中:Cu为浅橙色,C为灰色,O为红色,N为蓝色,H为白色。

理论计算揭示PANa通过“中间体稳定+活性氢调控”协同促进NO3RR,界面氢键网络降低NO2 → NO2H决速步能垒,同时促进水解离并稳定活性氢、抑制HER,从而推动活性氢优先用于NO3−连续氢化。

总结与展望

本文通过PANa氢键网络实现界面水、活性氢与反应中间体的协同调控,突破了NO3RR中活性氢供给与选择性的矛盾,为利用界面微环境调控电催化反应路径提供了新策略。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
彻底摊牌了?一个欠9亿一个骗13.9亿,董卿被爆猛料,原来她和王丽坤同样困境

彻底摊牌了?一个欠9亿一个骗13.9亿,董卿被爆猛料,原来她和王丽坤同样困境

她时尚丫
2026-08-07 18:55:34
乌克兰首次出现日本部队!东京高调宣布汲取俄乌战争经验

乌克兰首次出现日本部队!东京高调宣布汲取俄乌战争经验

项鹏飞
2026-08-16 20:05:14
吴法宪去世前有两个遗愿,一个是穿军装,那他还能穿上军装吗

吴法宪去世前有两个遗愿,一个是穿军装,那他还能穿上军装吗

贱议你读史
2026-08-17 22:28:09
枯木生花,马里亚诺西甲首轮1球2助表现惊艳

枯木生花,马里亚诺西甲首轮1球2助表现惊艳

懂球帝
2026-08-17 12:42:31
马科斯称台海若有事,不准美军从菲律宾进攻,手上却给美军开大门

马科斯称台海若有事,不准美军从菲律宾进攻,手上却给美军开大门

古史青云啊
2026-08-17 22:03:45
中国男篮大逆转失败!郭士强说3主力不在状态,战胜我们赛前部署

中国男篮大逆转失败!郭士强说3主力不在状态,战胜我们赛前部署

老吴说体育
2026-08-17 21:17:50
他是导致台湾难以收复的关键人物,若不是他,台湾或许早就解放了

他是导致台湾难以收复的关键人物,若不是他,台湾或许早就解放了

纪史行者
2026-08-15 00:20:07
王曼昱侧身让出 C 位!王艺迪笑开花,张本智和黑脸,国乒赴上海封训剑指亚运

王曼昱侧身让出 C 位!王艺迪笑开花,张本智和黑脸,国乒赴上海封训剑指亚运

好乒乓
2026-08-17 20:42:31
南京富二代杀妻案:60多刀屠戮产后妻子,百日女婴终生无母,最毒从不是刀

南京富二代杀妻案:60多刀屠戮产后妻子,百日女婴终生无母,最毒从不是刀

墨策史
2026-07-20 20:56:55
中国全球唯一的特高压,印度也要搞出来了?

中国全球唯一的特高压,印度也要搞出来了?

正解局
2026-08-17 14:35:41
麻生太郎亲口承认:日本挑衅中国,纯属得不偿失

麻生太郎亲口承认:日本挑衅中国,纯属得不偿失

爱吃醋的猫咪
2026-08-17 20:03:09
李聚奎上将回忆:余天云当年想假装手枪走火打死我,被叶成焕拦下

李聚奎上将回忆:余天云当年想假装手枪走火打死我,被叶成焕拦下

小莜读史
2026-08-17 19:21:39
中国人祖祖辈辈都用“粪水浇菜”,欧洲科学家却才发现,这是为什么?

中国人祖祖辈辈都用“粪水浇菜”,欧洲科学家却才发现,这是为什么?

磊子讲史
2026-08-17 18:31:51
事情变得不对劲了,新台风又要去华东?浙江沿海又是重点区域?来,一文带你看懂。

事情变得不对劲了,新台风又要去华东?浙江沿海又是重点区域?来,一文带你看懂。

匹夫来搞笑
2026-08-17 15:27:46
不去打听任何人的动态,不去琢磨任何人的想法,你就会过得舒服

不去打听任何人的动态,不去琢磨任何人的想法,你就会过得舒服

木言观
2026-08-17 22:47:33
中方宣布:阿卜杜拉二世,将访华

中方宣布:阿卜杜拉二世,将访华

政知新媒体
2026-08-17 15:18:10
跟队:米兰与斯特拉斯堡就莫雷拉达成协议,转会费约4500万欧

跟队:米兰与斯特拉斯堡就莫雷拉达成协议,转会费约4500万欧

懂球帝
2026-08-17 20:54:13
智商高的孩子最显著的特点就是“胆小”,很多家长却白白毁掉了娃

智商高的孩子最显著的特点就是“胆小”,很多家长却白白毁掉了娃

另子维爱读史
2026-08-17 21:22:42
“22岁女生疯了,大小便失禁,生死不明”,“男孩被打得蜷缩在地,父母一旁看着”,如是书院被关停

“22岁女生疯了,大小便失禁,生死不明”,“男孩被打得蜷缩在地,父母一旁看着”,如是书院被关停

南方都市报
2026-08-16 20:49:59
当年花1亿买航母送祖国,宣布破产的商人徐增平,后来如何?

当年花1亿买航母送祖国,宣布破产的商人徐增平,后来如何?

芊芊子吟
2026-06-14 12:30:06
2026-08-17 23:23:00
高分子材料科学 incentive-icons
高分子材料科学
学习《高分子材料科学》进展
2847文章数 6500关注度
往期回顾 全部

科技要闻

马斯克600亿美元买条近路

头条要闻

警察上门走访提醒反诈 网络主播称档期排满:要等明年

头条要闻

警察上门走访提醒反诈 网络主播称档期排满:要等明年

体育要闻

黄蜂不要天马行空,只要稳稳地幸福?

娱乐要闻

立案风波席卷德云社多场巡演叫停!

财经要闻

爱丽家居跨界玩存储:溢价背后藏着机密案

汽车要闻

2027款艾瑞泽8 PRO 年轻人的务实之选

态度原创

游戏
家居
教育
艺术
公开课

《四海兄弟:最终版》获PS5 Pro升级 评价两极分化

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

教育要闻

一场因“全家颜值过高”而走红的升学宴,让我看清了:舆论是如何带偏孩子价值观的

艺术要闻

中国最“疯”男人!一把火烧掉北京几套房,却治愈千万人!他到底凭什么?

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版