一氧化氮（NO）作為一種具有多種神經(jīng)/生理功能的分子，在人體的日常生理活動中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，它也是主要的大氣污染物之一。人類的生產(chǎn)活動將NO快速釋放到大氣中，嚴(yán)重破壞生態(tài)氮循環(huán)的平衡，對環(huán)境產(chǎn)生負面影響并危及公眾健康。因此，將有毒NO轉(zhuǎn)化為無害或有用的含氮物種吸引了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。
選擇性催化還原（SCR，需要持續(xù)供應(yīng)強還原劑如氨或氫）是最成熟的NO減排方法，但由于運營成本高和潛在的二次污染，該方法可持續(xù)性低。由可再生電力驅(qū)動的NO還原是一種可持續(xù)的NO去除途徑，而且可同時獲得多種產(chǎn)品。其中，氨（NH3）是現(xiàn)代商業(yè)、工業(yè)中的重要化學(xué)品。NO的裂解能量低于N2，這是一個有利于更有效地實現(xiàn)NH3電合成的條件。此外，NO作為電化學(xué)反硝化過程的關(guān)鍵中間體，會影響反應(yīng)選擇性和轉(zhuǎn)化率。因此，NO電還原為NH3有極大的發(fā)展前景，因其不僅能可持續(xù)地將NO還原為NH3，而且可以幫助人們理解反硝化電化學(xué)的基礎(chǔ)原理。目前仍缺乏用于電化學(xué) NO 還原反應(yīng) (eNORR) 的先進催化材料，該過程的最終商業(yè)化/工業(yè)化因此仍受到阻礙。一些金屬催化劑已被研究用于 eNORR合成NH3，但非金屬材料的研究仍是挑戰(zhàn)。碳化硼作為最硬的材料之一，憑借高導(dǎo)電性、（電）化學(xué)穩(wěn)定性和良好的耐腐蝕性被廣泛用作電極材料。將其用于eNORR可能在確定合適和有效的催化劑方面提供參考。
電子科技大學(xué)孫旭平教授、澳大利亞斯威本科技大學(xué)孫成華教授和山東師范大學(xué)唐波教授合作，研發(fā)了負載有無定形硼化碳的二氧化鈦納米陣列（縮寫為a-B2.6C@TiO2/Ti)作為eNORR合成NH3的納米催化劑。
圖一 通過表征證明了無定形硼化碳成功濺射沉積在二氧化鈦納米帶陣列上作為一種自支撐的三維電極，該氧化鈦陣列負載在鈦板上。 圖二 對不同電極做eNORR活性測試，a-B2.6C@TiO2/Ti電極上顯示出3678.6 μg h-1 cm-2的產(chǎn)率和87.6%的法拉第效率，優(yōu)于TiO2/Ti (563.5 μg h-1 cm-2, 42.6%) 和a-B2.6C/Ti (2499.2 μg h-1 cm-2, 85.6%）。接著進行了NO/Ar交替電解試驗和連續(xù) NH3電合成。 圖三 以a-B2.6C@TiO2/Ti為陰極催化劑的組裝Zn-NO電池進行了放電測試，得到功率密度（1.7 mW cm-2）、不同電流密度下的 NH3 產(chǎn)率（最大為1125 μg h-1 cm-2）以及電池的運行穩(wěn)定性曲線。 圖四 建立異質(zhì)結(jié)模型等對催化機理做深入理解，理論計算表明，在 a-B2.6C 層上的B-C鍵合有效地將電子注入到 NO π2p* 中，從而活化了 NO分子并以較小的能量輸入加速NO還原反應(yīng)。 這項工作不僅實現(xiàn)了基于NO的NH3 電合成，闡述了反應(yīng)機理，更重要的是，提供了一種基于無定形納米陣列的催化劑設(shè)計，有助于實現(xiàn)高活性和穩(wěn)定的電化學(xué) NO轉(zhuǎn)化到NH3。 論文信息 Amorphous Boron Carbide on Titanium Dioxide Nanobelt Arrays for High-Efficiency Electrocatalytic NO Reduction to NH3 Jie Liang, Pengyu Liu, Qinye Li, Dr. Tingshuai Li, Luchao Yue, Yongsong Luo, Dr. Qian Liu, Prof. Na Li, Prof. Bo Tang, Dr. Abdulmohsen Ali Alshehri, Dr. Imran Shakir, Dr. Philips O. Agboola, Prof. Chenghua Sun, Prof. Xuping Sun Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202202087
