摘要：亚硝酸盐(NO2−)是一种广泛存在于工业废水、液体核废料、牲畜粪便和化肥中的污染物。因此，在环境条件下使用可再生电力驱动的电化学NO2−还原反应(NO2RR)是将有毒的NO2−转化为NH3的有效策略。

研究背景

亚硝酸盐(NO2−)是一种广泛存在于工业废水、液体核废料、牲畜粪便和化肥中的污染物。因此，在环境条件下使用可再生电力驱动的电化学NO2−还原反应(NO2RR)是将有毒的NO2−转化为NH3的有效策略。

尽管近年来电催化剂的发展取得了重大进展，但高选择性NH3的直接电合成仍然是一个巨大的挑战。这主要是由于NO2RR涉及动力学缓慢的复杂反应途径以及析氢反应(HER)、电还原N2(ERN2)和电还原NO(ERNO)等副反应，特别是在低浓度的NO2−条件下。因此，合理设计具有高密度的活性中心和调节速率控制步骤(RDS)能垒的催化剂，对于选择性地将NO2−电还原成NH3具有重要意义。

成果简介

近日，湖南大学谭勇文课题组报道了一种具有双连续纳米孔结构的金属间单原子合金CuZn催化剂(np/ISAA-CuZn)，其具有高密度的Cu-Zn活性中心，以促进中性NO2RR选择性NH3电合成。

实验结果表明，np/ISAA-CuZn催化剂具有高选择性NO2−-NH3转化性能，在−0.2至−0.8 V宽电位范围内的NH3法拉第效率高达95%以上。在膜电极组件(MEA)电解槽中，np/ISAA-CuZn电催化剂在500 mA cm−2下连续运行220小时过程中，NH3法拉第效率近乎恒定在80%，NO2−转化率为100%。更重要的是，在1 mM NO2−和−0.5 V条件下，np/ISAA-CuZn能够选择性地将NO2−转化为NH3，法拉第效率超过90.9%。

原位光谱表征和理论计算结果表明，np/ISAA-CuZn催化剂的高活性可归因于分离的Cu-Zn活性中心之间的强电子相互作用改变了反应中间体吸附形态，有效地降低了速率控制步骤的(*NO2中间加氢)的能垒，从而大大提高了NH3的电合成活性和选择性。此外，Zn中心还能促进H2O的吸附/解离，为含氮中间体加氢生成NH3提供足够的活性氢。

总的来说，这项工作表明在原子水平上调节有序的活性中心结构对于提升催化性能具有重要作用，为设计高效的催化剂提供了理论依据。

Isolating Cu-Zn active-sites in ordered intermetallics to enhance nitrite-to-ammonia electroreduction. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-53897-9

作者信息

谭勇文，湖南大学材料科学与工程学院教授。2012年博士毕业于上海交通大学（导师：张荻教授），2013-2017年在日本东北大学任博士后研究员（合作导师：陈明伟教授），2017年加入湖南大学任教授。

谭勇文教授的研究领域为功能金属材料、功能金属基复合物材料.主要研究方向为1. 多孔金属材料的制备科学机理研究；2. 纳米多孔金属基能源材料。近年来一直从事微纳结构金属功能材料及复合材料的设计、构筑及其应用研究，设计了一系列新型材料，并发现了一系列的独特性能。

来源：华算科技