米兰体育

网易米兰体育 > > 正文

《JACS》南科大肖欣/徐强,复旦李巧伟: 水凝胶催化体系实现硝酸根选择性电催化制氨!

0
分享至


第一作者:李发艳,初秉宪,彭俊文

通讯作者:肖欣,李巧伟,徐强

通讯单位:复旦大学,南方科技大学

论文DOI://doi.org/10.1021/jacs.6c09690

全文速览

本文针对Cu基催化剂在硝酸根还原制氨(NO3RR)过程中界面活性氢供给与利用难以兼顾的问题,构筑了Cu@PANa/CF界面水凝胶催化体系。PANa水凝胶在Cu纳米阵列表面形成亲水性氢键网络,通过调控界面水、活性氢及含氮中间体,实现了对反应路径和竞争反应的协同调控。Cu@PANa/CF在宽电位窗口内NH3法拉第效率超过90%,−0.3 V vs. RHE时最高达到98%,低过电位下NH3生成速率约为Cu/CF的2倍。结合多尺度结构表征、原位光谱、电化学测试及理论计算,本文系统揭示了PANa“促进活性氢生成与稳定 + 氢键稳定关键中间体”的双重作用机制,从而实现NO3−向NH3的高效、高选择性转化。

背景介绍

NO3RR是一种具有应用潜力的绿色氨合成路径,但其多步质子耦合电子转移过程涉及复杂的含氮中间体转化,对界面活性氢的供给和利用提出了较高要求。Cu基催化剂虽然具有良好的NO3RR活性,但其界面活性氢供给存在明显的电位依赖性矛盾:在较低电位下,水解离动力学缓慢,导致活性氢供应不足;而在较高电位下,活性氢通量增加,却容易转向HER,造成活性氢的无效消耗。

因此,NO3RR面临的关键问题并非简单地增加活性氢生成,而是如何在界面上持续产生、有效稳定并定向利用活性氢,使其优先参与NO3−连续氢化,而非进入HER等竞争路径。传统的电子结构调控主要聚焦于改变金属活性位点本身,对于催化剂界面微环境中水、活性氢与反应中间体之间的协同关系关注相对有限。因此,构建能够同时调控界面水行为、活性氢命运及中间体稳定性的功能化界面,是突破NO3RR选择性限制的关键。

研究出发点

针对上述问题,本文提出利用PANa水凝胶构建Cu表面氢键网络,从催化剂界面微环境而非单纯电子结构调控的角度,实现活性氢的精准管理。PANa具有丰富的羧酸根基团和亲水性,可在Cu纳米阵列表面形成稳定的三维氢键网络,为界面水富集、活性氢生成与稳定以及含氮中间体调控提供协同作用。

图文解析


图1. 合成与表征。(a)合成示意图,(b)XRD图,(c)FTIR光谱,(d)SEM图,(e)HRTEM图,以及(f)HAADF-STEM图和对应的EDX元素映射图。

多尺度综合表征证实PANa水凝胶均匀包覆于Cu纳米阵列表面。


图2. 电催化硝酸根还原产氨性能评估。(a)LSV曲线,(b)产氨法拉第效率,(c)产氨速率,(d)半电池能量效率,(e) 1H NMR谱,(f)UV-Vis与NMR测试结果对比,(g)循环稳定性测试,(h)与文献报道性能对比。

性能评估显示,Cu@PANa/CF具有优异的硝酸根还原性能,在宽电位窗口内NH3法拉第效率均超过90%,−0.3 V vs. RHE时最高达到98%,较低电位下NH3生成速率约为Cu/CF的2倍,同时表现出良好的稳定性。


图3. EIS测试。(a,b)在1.0 M KOH中的Bode图,(c,e)在1.0 M KOH + 0.1 M KNO3中的Bode图,(d,f)Nyquist图。

EIS证实,PANa改变了Cu表面活性氢的生成—消耗动力学,使界面具有更高的活性氢稳态覆盖度,从而为硝酸根的连续氢化提供持续的活性氢。


图4. 光谱与电化学表征相结合揭示反应路径。(a,b)原位电化学ATR-SEIRAS光谱,(c)1.0 M KOH中的CV曲线,(d)t-BuOH淬灭实验,(e)EPR谱图,(f–i)不同条件下的电化学反应路径示意图。

原位红外、CV及 t-BuOH 淬灭实验共同表明,PANa通过调控Cu界面微环境,增强NO3−吸附并维持富H环境,从而加速NO2等关键中间体的连续氢化。进一步结合EPR与原位拉曼表征发现,PANa引入后有效抑制了O2相关竞争反应,使界面电子与活性氢更优先参与NO3−还原,最终推动NO3−向NH3的高选择性转化。


图5. 理论计算。(a)吸附NO3RR中间体的优化结构模型,(b)自由能图,(c)吸附的*NO2H电子局域函数,(d)H2O分子的吸附能,(e)H2O解离反应的自由能图,以及(f)HER的吉布斯自由能图。分子模型中:Cu为浅橙色,C为灰色,O为红色,N为蓝色,H为白色。

理论计算揭示PANa通过“中间体稳定+活性氢调控”协同促进NO3RR,界面氢键网络降低NO2 → NO2H决速步能垒,同时促进水解离并稳定活性氢、抑制HER,从而推动活性氢优先用于NO3−连续氢化。

总结与展望

本文通过PANa氢键网络实现界面水、活性氢与反应中间体的协同调控,突破了NO3RR中活性氢供给与选择性的矛盾,为利用界面微环境调控电催化反应路径提供了新策略。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
“不靠关系、不靠试镜、也不靠演技,纯靠预约”,游客花388元在横店拍短剧,导演日薪却已腰斩

“不靠关系、不靠试镜、也不靠演技,纯靠预约”,游客花388元在横店拍短剧,导演日薪却已腰斩

第一财经资讯
2026-11-12 00:50:49
新北市长政见会李四川、苏巧慧炮火猛!沈富雄:这人明显占上风

新北市长政见会李四川、苏巧慧炮火猛!沈富雄:这人明显占上风

新时光点滴
2026-11-14 00:13:16
俄乌冲突最新进展:11月13日晚上最新消息

俄乌冲突最新进展:11月13日晚上最新消息

第一校尉
2026-11-13 18:43:58
美专家意见罕见统一:中国两岸统一后,美国唯一可行选择曝光

美专家意见罕见统一:中国两岸统一后,美国唯一可行选择曝光

触摸史迹
2026-11-14 00:32:46
开源情报:中国可能正在进行一场未经宣布的大规模演习

开源情报:中国可能正在进行一场未经宣布的大规模演习

瞩望云霄
2026-11-11 21:10:05
总在凌晨3-5点醒来的人,并非睡不好,而是你的“前世”在求救

总在凌晨3-5点醒来的人,并非睡不好,而是你的“前世”在求救

古怪奇谈录
2025-11-06 14:50:51
NBA倒数第二!太拉了,比杨瀚森先离开??

NBA倒数第二!太拉了,比杨瀚森先离开??

左右为篮
2026-11-14 02:58:40
美国女模特新广告几乎全裸出镜,用植物遮身,最后穿上白裙

美国女模特新广告几乎全裸出镜,用植物遮身,最后穿上白裙

究竟谁主沉浮
2026-11-12 07:01:32
央视《米兰体育-米兰(中国)官网联播》邢质斌被偶遇,身材发福满头白发像邻家老奶奶

央视《米兰体育-米兰(中国)官网联播》邢质斌被偶遇,身材发福满头白发像邻家老奶奶

师维
2026-07-16 16:45:58
注意!宁波交警全域严查

注意!宁波交警全域严查

象山发布
2026-11-13 17:32:33
让以色列和海湾盟友为伊朗战争买单,特朗普的471亿美元账单开给谁看?

让以色列和海湾盟友为伊朗战争买单,特朗普的471亿美元账单开给谁看?

上观米兰体育-米兰(中国)官网
2026-11-11 16:08:34
悔断肠!卡里克点名四大强援全泡汤!曼联错失世界级巨星

悔断肠!卡里克点名四大强援全泡汤!曼联错失世界级巨星

澜归序
2026-11-13 10:00:14
你听过最毁三观的八卦有哪些?网友:不要因为人家的职业歧视她,人家赚的是辛苦钱

你听过最毁三观的八卦有哪些?网友:不要因为人家的职业歧视她,人家赚的是辛苦钱

带你感受人间冷暖
2026-11-07 10:45:52
尘埃落定!勇士官方更新库里伤情,迎来一大好消息,伤缺时间敲定

尘埃落定!勇士官方更新库里伤情,迎来一大好消息,伤缺时间敲定

体育见习官
2026-11-13 10:09:33
华为轮值董事长罕见在美国《时代》杂志刊文

华为轮值董事长罕见在美国《时代》杂志刊文

观察者网
2026-11-13 19:08:02
今年1270万毕业生,没背景没人脉的孩子才是最难的

今年1270万毕业生,没背景没人脉的孩子才是最难的

职场资深秘书
2026-11-13 19:02:23
答应我!今年一定买件“灰色大衣”,显贵、高级,真的百搭

答应我!今年一定买件“灰色大衣”,显贵、高级,真的百搭

小陈聊搭配
2026-11-13 22:34:28
近30名日本女优组团赴港:MFE2026开幕前突生变数

近30名日本女优组团赴港:MFE2026开幕前突生变数

东瀛万事通
2026-11-12 13:59:21
发现一个很准的规律:只要儿子儿媳长期和父母同住一处,最后都会变得像"仇人"

发现一个很准的规律:只要儿子儿媳长期和父母同住一处,最后都会变得像"仇人"

小书虫妈妈
2026-11-08 12:13:59
斩杀黄仁勋,终极目标是收拾特朗普

斩杀黄仁勋,终极目标是收拾特朗普

超级学爸蛋总
2026-11-14 01:54:53
2026-11-14 03:40:49
高分子材料科学 incentive-icons
高分子材料科学
学习《高分子材料科学》进展
2872文章数 6504关注度
往期回顾 全部

黄仁勋辞职,马斯克们抱不平!

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

28年前的“点球罪人”,把冠军带回大连

陈晓楠对话厉娜和许飞引全网热议

72岁王健林重回“一号位”

限时权益价8.88万 吉利星愿STAR限定系列发布

态度原创

17位 国外画家笔下的女子

鞠婧祎代言 荣耀700系列四款高颜值配色公布:全系标配原生AI背屏

幼儿园3年减少5.73万所

痘痘长到25岁还没完?查查内分泌

俄乌宣告达成换俘协议

无障碍浏览 进入关怀版