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復(fù)旦大學(xué)張黎明團(tuán)隊(duì)Chem:FE近100%!Ni催化NO電化學(xué)合成氨

電化學(xué)轉(zhuǎn)化一氧化氮(NO)為氨(NH3)是人工固氮和平衡受干擾的氮循環(huán)的有效途徑,但由于缺乏對(duì)NH3的機(jī)理了解和對(duì)NH3的低選擇性,阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。
基于此,復(fù)旦大學(xué)張黎明研究員等人報(bào)道了一種從一組過(guò)渡金屬電催化劑中篩選出了Ni作為最有效的電催化劑。為更深入地了解活性位點(diǎn)基序,作者合理地設(shè)計(jì)了5種不同表面取向的單晶Ni箔,使NH3在Ni(210)表面上的法拉第效率(FE)達(dá)到了近100%,NH3產(chǎn)率為12.02 μmol cm-2 h-1。
復(fù)旦大學(xué)張黎明團(tuán)隊(duì)Chem:FE近100%!Ni催化NO電化學(xué)合成氨
通過(guò)密度泛函理論(DFT)計(jì)算,作者研究了Ni在不同方面的反應(yīng)活性,包括N*途徑(NO→NOH*→N*+H2O, N*→NH*→NH2*→NH3)和O*途徑(NO→NHO*→NH2O*→NH3 + O*, O*→OH*→H2O)。結(jié)果表明,以NH*→NH2*為RDS的N*途徑在Ni(111)、Ni(100)、Ni(310)和Ni(520)面上主導(dǎo)了NOR,與RDS相關(guān)的能量增加分別為0.27、0.48、0.23和0.22 eV。
復(fù)旦大學(xué)張黎明團(tuán)隊(duì)Chem:FE近100%!Ni催化NO電化學(xué)合成氨
對(duì)于Ni(210),N*和O*途徑,N*途徑的勢(shì)壘相對(duì)較小,為0.15 eV,但O*途徑在Ni(210)上具有能量上的優(yōu)勢(shì),表現(xiàn)為幾乎連續(xù)的下坡轉(zhuǎn)換,最后一步上坡為0.04 eV。此外,DFT計(jì)算還表明,NOH*、N*和NH*這三個(gè)產(chǎn)物傾向于占據(jù)一個(gè)空心的活性位點(diǎn),而NH2*中間體僅穩(wěn)定在一個(gè)橋位點(diǎn)。
因此,吸附位點(diǎn)必須在NH*→NH2*這一步驟中從空心位點(diǎn)切換到橋位點(diǎn)。作者推測(cè),這種轉(zhuǎn)換所需的自由能,用?Gs表示,可能決定了NH3生成的活度。
復(fù)旦大學(xué)張黎明團(tuán)隊(duì)Chem:FE近100%!Ni催化NO電化學(xué)合成氨
Deciphering nickel-catalyzed electrochemical ammonia synthesis from nitric oxide. Chem, 2023, DOI: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.08.001.

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