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?中南/慕尼黑大學(xué)ACS Nano：Ag納米針陣列高效電催化N2轉(zhuǎn)化為NH3

電催化N₂還原反應(yīng)(eNRR)制氨為Haber-Bosch法提供了一種有前景的碳中性和可持續(xù)的氨合成替代方法。然而，非極性N₂具有顯著的熱力學(xué)穩(wěn)定性，需要超高能量才能破壞N≡N鍵。

基于此，中南大學(xué)劉敏、劉康和德國(guó)慕尼黑大學(xué)Emiliano Cortés等設(shè)計(jì)了一系列具有局部增強(qiáng)電場(chǎng)(LEEFs)的銀納米針陣列(Ag NN)，以實(shí)現(xiàn)有效的氨電合成。

有限元分析(FEM)模擬顯示，在0.030 nm^-1(Ag NNs-30)、0.080 nm^-1(Ag NNs-80)和0.145 nm^-1(Ag NNs-145)的尖端曲率下，由Ag NNs誘發(fā)的不同LEEF從1.72×10⁴kV m^-1增加到3.83×10⁴kV m^-1，甚至增加到6.79×10⁴ kV m^-1，這比閃電引發(fā)的LEEF數(shù)量級(jí)更高。

密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，LEEFs可以促進(jìn)N₂中兩個(gè)氮原子上的電荷極化，向惰性N₂分子的反鍵軌道提供大量電子，降低N₂第一步質(zhì)子化能壘。原位拉曼實(shí)驗(yàn)表明，該催化劑與N?N和N?H中間體有較強(qiáng)的化學(xué)相互作用，證明了LEEFs對(duì)N≡N鍵的斷裂和N₂質(zhì)子化的重要作用。

電化學(xué)化能測(cè)試結(jié)果顯示，在水相體系中，eNRR和競(jìng)爭(zhēng)性析氫反應(yīng)(HER)的的動(dòng)力學(xué)速率隨著LEEF的增加而增加，通過(guò)對(duì)LEEF的調(diào)整(3.83×10⁴ kV m^-1)，能夠有效抑制競(jìng)爭(zhēng)性HER反應(yīng)。

因此，優(yōu)化后的Ag NNs-80在-0.3 V_RHE時(shí)的氨產(chǎn)率和法拉第效率分別為10.2±0.5 μg h^-1cm^-2和72.3±4.0%，其FE值分別是Ag薄膜、Ag納米顆粒、Ag NNs-30和Ag NNs-145的6.1倍、5.2倍、1.9倍和1.6倍。

綜上，該項(xiàng)工作為電催化反應(yīng)提供了一類有前景的催化劑，并為L(zhǎng)EEFs在電催化中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

Boosting Nitrogen Activation via Ag Nanoneedle Arrays for Efficient Ammonia Synthesis. ACS Nano, 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c08853

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