中國教育在線
日前，哈(ha)爾濱工業(ye)大學(xue)(xue)深圳校區理學(xue)(xue)院何思斯、周(zhou)佳課題組在硝酸(suan)鹽電催(cui)化(hua)(hua)(hua)轉化(hua)(hua)(hua)領(ling)域(yu)取得突破性成(cheng)(cheng)果，相關成(cheng)(cheng)果以《具有梯度(du)(du)結構RuCo電催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)用(yong)于將低濃度(du)(du)硝酸(suan)鹽在安培級電流密度(du)(du)下電還原合(he)成(cheng)(cheng)氨》(Gradient-concentration RuCo electrocatalyst for efficient and stable electroreduction of nitrate into ammonia)為(wei)題，發表于《自(zi)然通訊》(Nature Communications)，并(bing)被期刊編輯部(bu)選為(wei)“催(cui)化(hua)(hua)(hua)”(Catalysis)領(ling)域(yu)50篇亮(liang)點文(wen)章之一。該項研究設計了一種廢(fei)水(shui)中(zhong)利用(yong)及高效轉化(hua)(hua)(hua)硝酸(suan)鹽為(wei)氨的高效電催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)，為(wei)廢(fei)水(shui)處理和低碳(tan)能源生(sheng)產提供了新途(tu)徑。
電(dian)催(cui)(cui)化硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)(yan)還原制(zhi)氨(NRA)被(bei)認為(wei)是低(di)(di)成本可持續的(de)(de)氨能獲取方式，它能夠將(jiang)廢(fei)水中(zhong)的(de)(de)硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)(yan)轉換為(wei)理想的(de)(de)清潔能源氨的(de)(de)技(ji)術(shu)路(lu)線，既減少了環境污(wu)染(ran)，也為(wei)可持續氨生(sheng)產節約了能源。但氮(dan)基肥料和生(sheng)活污(wu)水排放產生(sheng)的(de)(de)受污(wu)染(ran)的(de)(de)地下水中(zhong)的(de)(de)硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)(yan)源主要以低(di)(di)濃(nong)度(du)(≤10 mM)為(wei)主，而(er)目(mu)前(qian)大(da)多數已報道的(de)(de)催(cui)(cui)化劑在(zai)高濃(nong)度(du)(>100 mM)硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)(yan)還原下進(jin)行測試表現出高法拉第效率和氨收率，這(zhe)是由于工作電(dian)極(ji)附近硝(xiao)酸(suan)根離子的(de)(de)遷移受限以及存在(zai)競爭性(xing)析(xi)氫反應(ying)。因(yin)此，低(di)(di)濃(nong)度(du)硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)(yan)高效電(dian)還原仍然是學(xue)術(shu)界面臨的(de)(de)主要挑戰。
為提(ti)高(gao)NRA反(fan)應的(de)(de)催(cui)化性(xing)能，研究團隊(dui)提(ti)出(chu)了一種(zhong)梯度(du)(du)濃度(du)(du)結構設(she)計合成的(de)(de)鈷基催(cui)化劑(ji)(ji)來(lai)優化NRA過程的(de)(de)策略。這種(zhong)梯度(du)(du)結構的(de)(de)釕鈷電(dian)催(cui)化劑(ji)(ji)在典(dian)型工業廢水(shui)(2000 ppm)的(de)(de)低(di)硝酸鹽濃度(du)(du)下表現出(chu)超高(gao)的(de)(de)NRA催(cui)化性(xing)能——超過93%的(de)(de)氨氣(qi)生產法拉第效(xiao)率和1.0 A/cm2的(de)(de)工業級氨氣(qi)電(dian)流(liu)(liu)密度(du)(du)，同時(shi)(shi)穩(wen)定(ding)工作時(shi)(shi)長可達(da)720小時(shi)(shi)。結合原位(wei)譜學表征和理論計算揭示了該催(cui)化劑(ji)(ji)的(de)(de)NRA反(fan)應機理。組裝的(de)(de)膜電(dian)極器(qi)件可以在高(gao)電(dian)流(liu)(liu)密度(du)(du)下穩(wen)定(ding)工作超過100小時(shi)(shi)，證實(shi)了該NRA催(cui)化劑(ji)(ji)的(de)(de)實(shi)際工業潛力。
研究團隊通過陽(yang)離(li)子交換法實現了在鈷(gu)(gu)(gu)基電催化劑(ji)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)到內部釕梯度(du)(du)濃度(du)(du)降低的(de)(de)(de)(de)結構(gou)(如圖1所示)，這種摻(chan)雜(za)策略減少(shao)了貴(gui)金屬(shu)釕的(de)(de)(de)(de)摻(chan)雜(za)，保證了主體的(de)(de)(de)(de)鈷(gu)(gu)(gu)晶(jing)體結構(gou)(金屬(shu)鈷(gu)(gu)(gu)和NO3-可以(yi)(yi)自發反應生成高(gao)價(jia)鈷(gu)(gu)(gu)和NO2-)，同(tong)時(shi)使催化劑(ji)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)(de)(de)(de)釕來為后(hou)續反應提供(gong)足(zu)夠(gou)多(duo)的(de)(de)(de)(de)活(huo)性(xing)氫(促進高(gao)價(jia)鈷(gu)(gu)(gu)向金屬(shu)鈷(gu)(gu)(gu)的(de)(de)(de)(de)還原以(yi)(yi)及(ji)促進NO2-到NH3的(de)(de)(de)(de)質子化過程)。
圖1. NRA催化劑(ji)的設計(ji)和合(he)成(cheng)
哈(ha)工大深圳校(xiao)區為論文(wen)第(di)一完成單位和(he)(he)通(tong)訊(xun)單位，理學(xue)院(yuan)博士研(yan)究(jiu)生(sheng)陳昕鴻為論文(wen)第(di)一作(zuo)者，理學(xue)院(yuan)何思斯教授和(he)(he)周佳副(fu)教授為共同(tong)通(tong)訊(xun)作(zuo)者。
論文(wen)鏈接：//doi.org/10.1038/s41467-024-50670-w
① 凡本(ben)站注明“稿件來(lai)(lai)源：中國教(jiao)育在(zai)線(xian)”的(de)所(suo)有(you)文字(zi)、圖片和(he)音視頻稿件，版權(quan)均屬(shu)本(ben)網(wang)所(suo)有(you)，任(ren)(ren)何(he)媒體、網(wang)站或(huo)個人未經本(ben)網(wang)協(xie)(xie)議授(shou)權(quan)不得(de)轉載、鏈接、轉貼或(huo)以其他方(fang)式復制發表。已(yi)經本(ben)站協(xie)(xie)議授(shou)權(quan)的(de)媒體、網(wang)站，在(zai)下載使用時必須注明“稿件來(lai)(lai)源：中國教(jiao)育在(zai)線(xian)”，違者本(ben)站將依法(fa)追究責任(ren)(ren)。
② 本(ben)站注明稿(gao)件來(lai)(lai)源(yuan)為(wei)其他媒(mei)體的文/圖等稿(gao)件均為(wei)轉(zhuan)(zhuan)載(zai)稿(gao)，本(ben)站轉(zhuan)(zhuan)載(zai)出于非(fei)商業性的教育和科研之(zhi)目的，并不(bu)意味著贊(zan)同(tong)其觀點或證實其內容的真實性。如轉(zhuan)(zhuan)載(zai)稿(gao)涉(she)及(ji)版權等問題，請作(zuo)者(zhe)在兩(liang)周(zhou)內速來(lai)(lai)電或來(lai)(lai)函聯系。
