近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所能源催化轉(zhuǎn)化全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碳基資源電催化轉(zhuǎn)化研究組(523組)包信和院士、高敦峰研究員團(tuán)隊(duì)與復(fù)旦大學(xué)汪國雄教授團(tuán)隊(duì)合作，在電化學(xué)合成氨研究方面取得新進(jìn)展，提出了羥基吸附作為銅基催化劑上硝酸鹽電催化還原制氨反應(yīng)的選擇性描述符，為高效催化劑和電解質(zhì)的理性設(shè)計(jì)提供了新思路。
 

　　與能源密集型的哈伯-博施(Haber-Bosch)合成氨工藝相比，硝酸鹽電催化還原反應(yīng)(NO3?RR)利用可再生電能，將廢水中的NO3?污染物轉(zhuǎn)化為氨，是溫和條件下合成氨的重要途徑。銅基催化劑雖然表現(xiàn)出較好的NO3?RR性能，但仍存在反應(yīng)過電位高、易產(chǎn)生亞硝酸鹽副產(chǎn)物、能量效率較低等瓶頸問題。
 

　　在本工作中，團(tuán)隊(duì)采用銅納米立方體作為模型催化劑，研究了NO3?RR產(chǎn)物分布對(duì)電極電勢(shì)和NO3?濃度的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電極電勢(shì)的負(fù)移和NO3?濃度的降低，氨的選擇性顯著提升。原位譜學(xué)表征和理論計(jì)算結(jié)果表明，這種依賴性源于催化劑表面羥基物種(*OH)的吸附狀態(tài)變化。具體而言，負(fù)移電極電勢(shì)和降低NO3?濃度均可削弱*OH吸附，進(jìn)而促進(jìn)水解離產(chǎn)生吸附氫物種(*H)，從而有利于硝酸根及其含氮中間產(chǎn)物的加氫反應(yīng)。基于對(duì)上述反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，團(tuán)隊(duì)提出了羥基吸附可作為銅基催化劑上硝酸鹽電催化還原制氨反應(yīng)的選擇性描述符，并將其應(yīng)用于指導(dǎo)催化劑和電解質(zhì)理性設(shè)計(jì)中，有效抑制了低過電位下亞硝酸鹽副產(chǎn)物的生成。
 

　　相關(guān)研究成果以“Hydroxyl Adsorption as a Selectivity Descriptor for Electrocatalytic Nitrate Reduction over Cu Catalysts”為題，于近日發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)-催化》(ACS Catalysis)上。該工作的第一作者是我所523組已畢業(yè)博士王毅。上述工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“能源電催化的動(dòng)態(tài)解析與智能設(shè)計(jì)”、遼寧濱海實(shí)驗(yàn)室、遼寧省興遼英才計(jì)劃、大連市杰出青年科技人才支持計(jì)劃、我所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持。