電催化硝酸鹽還原反應(yīng)(NO3?RR)是一種在環(huán)境條件下生產(chǎn)氨(NH3)的可持續(xù)途徑。從農(nóng)業(yè)的角度來看，電催化NO3?RR產(chǎn)生的NH3經(jīng)過酸濃縮處理，獲得有價值的含氮肥料，實現(xiàn)了廢物利用。
然而，從環(huán)境的角度來看，電催化NO3?RR直接產(chǎn)生的NH3是造成水資源富營養(yǎng)化的關(guān)鍵物質(zhì)之一，如果不及時處理，將繼續(xù)破壞生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)。此外，二次處理還會增加NO3?的去除成本。因此，將NO3?還原為N2對環(huán)境保護具有重要意義?？紤]到NO3?RR生成N2的電催化過程的復(fù)雜性，應(yīng)設(shè)計具有多活性中心的電催化劑以合理地調(diào)節(jié)催化反應(yīng)的途徑和中間體的吸附。近日，東華大學楊建平和上海師范大學張蝶青等結(jié)合限制工程和合金化策略來調(diào)整Fe基電催化劑的電子性能，有效增強了電催化劑的NO3?RR催化活性。具體而言，研究人員設(shè)計并制備了一系列FexCoy-NPCNFs催化劑，其中FeCo合金納米粒子限制在N摻雜碳納米纖維中；同時，在電解質(zhì)中引入NaCl以電解產(chǎn)生ClO?物種來將NH3氧化為N2。性能測試結(jié)果顯示，在?1.3 VSCE電位下，最優(yōu)的FeCo-NPCNF的NO3?轉(zhuǎn)化率為78.75%，N2選擇性為85%，并且在經(jīng)過60個循環(huán)后NO3?轉(zhuǎn)化率為78.5%，表明該催化劑具有優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性。原位電化學DEMS和密度泛函理論(DFT)計算表明，F(xiàn)eCo-NPCNs通過耦合Fe和Co的催化功能(將NO3?還原為NO2?和NO2?還原為NH3)，進一步通過化學過程獲得N2，從而實現(xiàn)中繼催化過程，獲得高NO3?RR活性。與Fe-NPCNF相比，Co的引入調(diào)節(jié)了Fe的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了其d帶中心，使中間體具有中等的吸附強度。此外，Co中心強大的活性供氫能力促進*N加氫生成*NH3，然后用ClO?將其氧化為N2，有效提高了NO3?RR反應(yīng)效率。總的來說，該項工作為提高雙金屬甚至多金屬催化劑的NO3?RR活性和選擇性提供了一種新的、可行的反應(yīng)途徑，并可進一步推廣到其它多電子-質(zhì)子耦合的電化學反應(yīng)。Relay catalysis of Fe and Co with multi-active sites for specialized division of labor in electrocatalytic nitrate reduction reaction. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202403838
