氨作為一種必不可少的化工原料，在過去一個多世紀里以氨為原料合成的含氮肥料為提高全球糧食產(chǎn)量作出了巨大的貢獻，解決了數(shù)十億人的糧食供應(yīng)問題。與傳統(tǒng)的哈伯氨合成方法需要 ~500 ℃的高溫和30 MPa的壓力相比，用于氨合成的電化學(xué)氮還原反應(yīng)（e-NRR）因具有操作方便, 節(jié)能減排，反應(yīng)條件溫和等諸多優(yōu)點而備受關(guān)注。
e-NRR 中使用的電活性材料主要包括貴金屬納米顆粒、單原子、過渡金屬氧化物和金屬碳化物/硫化物。在這些材料中，過渡金屬氧化物，特別是氧化鎳，由于具有可調(diào)諧的3d電子結(jié)構(gòu)、較高的自然豐度和良好的安全性，是最有前途的NRR電活性材料之一。然而，NiO 較差的本征電導(dǎo)率極大地阻礙了其產(chǎn)氨性能的進一步提高。為了解決這一問題，在實際研究中，通常通過兩種有效的方法來提高催化劑的活性。一種方法是制造具有新穎獨特納米結(jié)構(gòu)的多孔 NiO，因為材料結(jié)構(gòu)通常決定其催化性能。另一種方法是在 NiO 中摻雜或負載高導(dǎo)電材料，例如碳納米管、石墨烯或貴金屬納米顆粒。
除了以上方法，優(yōu)化電極的制備工藝也是可以有效提升電催化活性。通常，電極的制備過程往往是利用粘合劑將 e-NRR 催化劑固定到導(dǎo)電基材（碳紙）上，例如 Nafion。而粘合劑會增加催化劑與基材之間的接觸電阻，這也可能導(dǎo)致電極制備過程中催化劑的團聚，從而影響材料的電催化性能。據(jù)報道，在導(dǎo)電基底上直接生長電催化活性材料是制備高性能電極材料的有效途徑之一。因此，制備無粘合劑電極也可能是提高其 e-NRR 性能的有效策略。本研究工作中，作者發(fā)現(xiàn)，以碳氈作為基底的自支撐介孔 NiO 納米片（NiO NSs@CF）電催化劑，在中性電解液中表現(xiàn)出71.3 μg h-1 mg-1cat. 的高氨產(chǎn)率和17.9%的法拉第效率，這主要歸因于NiO NSs@CF具有交錯的片狀介孔結(jié)構(gòu)（增加活性位點）和較高的氧空位含量。一系列對比實驗也證實了氨產(chǎn)物來源于電催化氮氣還原。輔助理論計算表明NiO 樣品上氧空位的存在導(dǎo)致更強的 N 結(jié)合能力，促進了氮氣的吸附和活化。同時，氧空位的形成也會導(dǎo)致塊狀材料的帶隙降低，從而提高電催化過程中的導(dǎo)電性。在這項工作中，作者開發(fā)了一種綠色、簡單的制備無粘接劑自支撐電極的方法，通過研究了一系列NiO@CF電極的形貌結(jié)構(gòu)和催化性質(zhì)，揭示了氧空位對電催化活性的影響，為高效電催化劑的綠色可持續(xù)合成提供了新的思路。 論文信息 Direct In Situ Vertical Growth of Interlaced Mesoporous NiO Nanosheets on Carbon Felt for Electrocatalytic Ammonia Synthesis Prof. Wei Xiong, Min Zhou, Xiaoyan Huang, Prof. Weijie Yang, Prof. Da Zhang, Prof. Yaokang Lv, Prof. Hao Li 武漢工程大學(xué)為該論文的第一完成單位，日本東北大學(xué)材料科學(xué)高等研究所李昊副教授為共同通訊。 Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202200779
