銅-分子催化劑直接八電子電還原硝酸鹽合成氨

2020-07-29 讀懂科學

氨（NH3）對現代農業和工業至關重要，並且是潛在的能源載體。NH3傳統上是通過Haber-Bosch工藝在高溫高壓下合成的。該過程的需要高能量的輸入，這推動了在環境條件下通過氮（N2）-水反應合成電化學NH3的研究。然而，由於惰性N≡N鍵和N2的超低溶解度，這種低成本工藝的未來受到產率低和選擇性差的影響。而直接從非N2來源獲得NH3可以規避這些挑戰。

近日，華南理工大學Haihui Wang，美國阿貢國家實驗室Jun Lu等報導了一種含有銅的晶體3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride催化劑(PTCDA)，可將硝酸鹽（NO3−）直接八電子電還原為NH3。

銅-分子催化劑直接八電子電還原硝酸鹽合成氨

本文要點

要點1. 實驗表明，該催化劑在-0.4 V（與可逆氫電極相比）的條件下，NH3生成率為436±85 μg h-1 cm-2，並且最大法拉第效率為85.9％。

要點2. 進一步研究發現，該催化劑高的性能歸因於其具有能夠抑制HER和促進H–N結合的獨特的Cu電子結構，以及有助於將質子和電子傳導至活性Cu位的PTCDA結構。

銅-分子催化劑直接八電子電還原硝酸鹽合成氨
銅-分子催化劑直接八電子電還原硝酸鹽合成氨

Gao-Feng Chen, et al. Electrochemical reduction of nitrate to ammonia via direct eight-electron transfer using a copper–molecular solid catalyst. Nat. Energy, 2020

DOI: 10.1038/s41557-020-0654-1

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