近日，北京航空航天大學朱禹潔&美國俄亥俄州立大學Cheng Zhuo課題組報導了非金屬碳質材料應用於電還原合成氮的新進展，在期刊ACS Catalysis ( IF 12.350 )上發表了題為「Enhancing Nitrogen Electroreduction to Ammonia by DopingChlorine onReduced Graphene Oxide」的文章。
全文連結：https://doi.org/10.1021/acscatal.0c03941。
作為Haber-Bosch工藝的可能替代方法之一，近年來電化學合成氨已引起了人們相當大的興趣。但是，大多數電催化劑面臨氨生產產率低的困境。這項研究報告了一種可以有效地將氮還原為氨的氯摻雜的還原氧化石墨烯催化材料。在施加-0.3 V（vs RHE）的電勢下，摻氯的還原氧化石墨烯可實現70.9 μg h-1 mgcat-1（2.84μg h-1cm-2）的高NH3產率，法拉第效率（FE）為5.97％，這表明在無金屬的碳質材料電催化劑方面氨的產率很高。
實驗結果表明，氯摻雜有利於顯著增強缺陷結構中的氮吸附。密度泛函理論計算驗證了這一結果，並進一步揭示了吸附的氮通過締合的遠端途徑而減少。這些結果歸結為氯的電負性，可以引起相鄰碳原子的電子再分布，有利於N2的電還原。圖1.（a）Cl-RGO的TEM圖像。（b）C-（紅色），O（綠色）和Cl（黃色）的Cl-RGO的TEM EDS元素映射。（c）RGO和Cl-RGO的FT-IR光譜。（d）RGO和Cl-RGO的紫外可見光譜。
圖2.（a）Cl-RGO的C 1s XPS光譜。（b）Cl-RGO的Cl 2p XPS光譜。（c）RGO和Cl-RGO的拉曼光譜。（d）RGO和Cl-RGO的N2 TPD曲線。
圖3.（a）Cl-RGO在N2和Ar飽和的0.05M H2SO4溶液中的LSV曲線。（b）在各種電壓下的Cl-RGO i-t測試。（c）在各種電壓下Cl-RGO的NH3產率（左y軸）和FE（右y軸）。（d）在-0.3 V的電位下對Cl-RGO進行循環測試。
圖4. 在（a）C-C3平板和Cl-C-C3平板，（b）C-C2平板和Cl-C-C2平板上不同位置吸附的N2的吸附能。綠色和灰色的球體分別代表Cl和C原子。（c）在側面模式（紅色）和末端模式（藍色）中，在Cl-CC2上NRR吸附N2的締合遠端路徑的自由能圖。
此成果發表於知名學術期刊ACS Catalysis ( IF 12.350 ),Yujie Zhu，Zhuo Cheng, Peng Huang et.al,Enhancing Nitrogen Electroreduction to Ammonia by Doping Chlorine on ReducedGraphene Oxide, ACS Catal. 2020, 10,14928−14935.
DOI:10.1021/acscatal.0c03941
撰稿人：石月