氨（NH3）在農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用，其工業(yè)合成依賴哈伯-博施工藝（Haber-Bosch process）。該工藝需要在高溫高壓的條件下運(yùn)行，不僅消耗大量的化石能源，而且伴隨著大量的CO2排放。工業(yè)煙氣中的一氧化氮（NO）作為主要的大氣污染物，現(xiàn)有的處理技術(shù)難以兼顧高效去除與資源化利用。因此，利用清潔電能將NO還原為NH3，既可以實(shí)現(xiàn)污染物治理又能合成高附加值產(chǎn)物。不過煙氣中的氮氧化物的濃度較低，且不可避免與N2、CO2和CO等氣體共存。為了促進(jìn)NO產(chǎn)NH3的工業(yè)化應(yīng)用，因此有必要研究不同氣體組分對電催化NO還原的影響，從而進(jìn)一步提高NO電還原產(chǎn)NH3的速率和選擇性。
近日，南京大學(xué)朱文磊教授團(tuán)隊(duì)基于八面體氧化亞銅（o-Cu2O）制備的氧化物衍生銅（OD-Cu）催化劑，系統(tǒng)研究了不同氣體組分對電催化NO還原的影響，發(fā)現(xiàn)相比與Ar，N2和CO的條件下，CO2可顯著增強(qiáng)NO電化學(xué)還原為NH3的性能。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在含10% NO的CO2反應(yīng)氣氛中，NO電還原生成NH3的法拉第效率于20–250 mA cm-2寬域電流密度下穩(wěn)定維持在80%左右。當(dāng)電流密度提升至250 mA cm-2時，NH3產(chǎn)率達(dá)到1403.9 μmol cm-2 h-1，相較于無CO2的條件提升3.71倍，性能指標(biāo)顯著超越現(xiàn)有文獻(xiàn)報道值。值得注意的是，即使在僅含1% NO的低濃度條件下，該催化體系在20 mA cm-2電流密度時仍能實(shí)現(xiàn)70.11%的法拉第效率峰值。 通過原位表征與理論計算，揭示了NO與CO2協(xié)同催化機(jī)制：CO2還原生成的*CO和*COOH中間體，分別通過從*NO中奪取O原子加速脫氧過程，以及向*N持續(xù)供給H原子促進(jìn)加氫過程，從而協(xié)同促進(jìn)NO高效轉(zhuǎn)化為NH3。 該研究不僅揭示了實(shí)際煙氣組分對電催化NO還原的作用機(jī)理，更創(chuàng)新性地提出了基于CO2輔助NO高效合成NH3的新策略，同時為多氣體組分耦合電催化體系的精準(zhǔn)設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。 論文信息 Mechanistic Insights into the CO2-Assisted NO Electrochemical Deoxygenation and Hydrogenation Pan Li Yi Liu, Liangyiqun Xie, Guangtao Wang, Xuanzhao Lu, Jian Li, Xuanhao Wu, Yujing Jiang, Wenlei Zhu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202504499
