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?港城大/深大Angew: HEA引入金屬間納米顆粒，促進NO3?電還原為NH3

電化學硝酸鹽(NO₃^?)還原為氨(NH₃)為減少環(huán)境中NO₃^?的排放和實現(xiàn)可持續(xù)制氨提供了一種有效的途徑。由于電催化NO₃^?還原為NH₃反應(NRA)是一個復雜的9質子和8電子轉移過程，涉及多種反應途徑和中間體，這需要開發(fā)具有高選擇性和高活性的高性能催化劑。

高熵合金(HEAs)是一種由五種以上元素組成的新型合金，因其優(yōu)異的機械強度、良好的耐熱性、耐腐蝕性等優(yōu)點而受到越來越多的關注。HEAs具有許多獨特的表面結合位點，有助于打破相互依賴的限制，并提供非凡的催化性能。此外，相工程為通過合理調整原子排列來調節(jié)催化劑的物理化學性質和功能提供了一種有效的方法，這顯著影響了催化劑的電化學性能。

基于此，香港城市大學支春義、楊濤和深圳大學郭瑛等報道了由Fe、Co、Ni、Al和Ti金屬組成的塊狀HEA作為環(huán)境條件下直接電催化NRA的高效催化劑。實驗結果表明，在?0.5 V_RHE下，塊狀HEA表現(xiàn)出良好的NRA活性，NH₃最大法拉第效率(FE)為82.66%，產率為0.36 mg h^?1 cm^?2。

此外，通過有效的相工程策略，在體HEA上引入均勻金屬間納米顆粒，有效提高了電化學活性表面積和電荷轉移效率。由此產生的納米結構HEA(n-HEA)在相同條件下的NH₃產率和FE分別為0.52 mg h^?1 cm^?2和95.23%，并且顯示出優(yōu)異的反應穩(wěn)定性。

原位光譜表征和理論計算表明，NO₃^?首先吸附在Fe、Co和Ni位點形成*NO₃，然后發(fā)生溶液介導的質子轉移以形成*HNO₃，這一步不需要電子轉移。隨后，進行了電子轉移步驟形成NH₃。同時，Ni和Fe位點具有相同的PDS(*HNO→*N)，能壘分別為1.03和0.78 eV；Co位點的PDS為(*NH₂→*NH₃)，能壘為0.52 eV，說明Co可能是n-HEA中最活躍的位點。

PDOS結果表明，F(xiàn)e/Co/Ni的d態(tài)與O原子的p態(tài)有明顯的重疊，保證了有效的NO₃^?吸附；并且Fe、Co和Ni的d帶中心分別為?0.627、?0.720和?1.108 eV，根據DFT計算結果，證明d帶中心越接近費米能級，吸附作用越強。因此，n-HEA是一種多活性位點(Fe、Co和Ni)和有效的NRA催化劑，其中Fe、Co和Ni對NRA具有協(xié)同催化作用。

Phase engineering of high-entropy alloy for enhanced electrocatalytic nitrate reduction to ammonia. Angewandte Chemie International Edition, 2024. DOI: 10.1002/anie.202407589

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