AFM: NiMoO4/CuO触发协同多相催化效应，促进NO3−电还原为NH3

2024年4月27日上午9:19 • 顶刊解读

NO₃⁻由于具有农业和工业废水中的普遍性、特殊的水溶性和低的N=O键能(204 kJ mol^-1)，可以作为电化合成NH₃的理想氮源。贵金属催化剂虽然具有优异的电催化NO₃⁻还原反应(NitRR)活性，但它们的高成本和稀缺的储量限制了其大规模应用。为克服上述问题，人们已经付出巨大努力来开发有效的非贵金属催化剂。

值得注意的是，Cu的d轨道和NO₃⁻的最低未占据分子轨道(LUMO)π*分子轨道的能级相当，有助于NO₃⁻在催化剂表面的结合。但是，在Cu基电催化剂上，NitRR中间体(*NO₃、* NO₂、* NO、*N、*NH和*NH₂)的强烈吸附阻碍了电化学还原为NH₃。

基于此，西安交通大学延卫、冯江涛和卡迪夫大学侯博等采用化学氧化法和水热法在泡沫铜载体上合成了NiMoO₄/CuO纳米线(NW)催化剂(NiMoO₄/CuO NW/CF)，其表现出优异的NitRR性能。

具体而言，NiMoO₄/CuO NW/CF催化剂在−0.2 V_RHE超低电位下的NH₃产率和法拉第效率分别为0.8221 mmol cm^-2 h^-1和98.8%，优于传统的Cu催化剂。并且，该电极在连续电解20小时后仍保持良好的活性，电化学测试后材料的结构和形貌几乎未发生变化，表现出优异的反应稳定性。

原位光谱表征和理论计算表明，CuO NW和NiMoO₄分别对NO₃⁻转化为NO₂⁻和NO₂⁻转化为NH₃具有优异的催化活性。在预还原过程中，CuO经过还原形成Cu/Cu₂O；在NO₃⁻还原过程中，Cu/Cu₂O与NO₃⁻之间发生自发的氧化还原反应，Cu/Cu₂O氧化成Cu₂O，同时NO₃⁻还原成NO₂⁻。在阴极电位下，Cu₂O在后续循环中还原为Cu/Cu₂O。同时，在NiMoO₄存在下，H₂O还原形成*H和OH⁻。Cu/Cu₂O表面吸附的NO₂⁻通过与NiMoO₄上生成的*H相互作用逐渐转化为NH₃。

以上结果证明Cu/Cu₂O(111)和NiMoO₄物种之间的协同多相催化效应是优异的NitRR性能的关键。综上，该项工作揭示了Cu基催化剂上涉及H*中间体的NH₃活性机理，为设计高效的NitRR催化剂提供了理论基础。

Electrocatalytic conversion of nitrate into ammonia through heterogeneous catalysis of NiMoO₄ and Cu/Cu₂O. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202401287

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AFM: NiMoO4/CuO触发协同多相催化效应，促进NO3−电还原为NH3

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