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科研动态

郭春显ACS Catal.: 抽丝剥茧!探究铜催化剂对硝酸盐还原为氨的优越性能的三个基本问题

发布:   时间:2021-11-29 09:28:10  浏览:



电催化硝酸盐还原成氨(NRA)对环境修复和节能至关重要。铜是最有前途的非贵金属 NRA电催化剂之一,但其固有的小平面催化活性和pH值影响尚不清楚。

为了解决NRA铜催化剂的三个基本问题:发生在铜上的NRA途径、NRA与铜析氢反应(HER)之间的竞争关系和最适合NRA的Cu表面。苏州科技大学郭春显团队使用密度泛函理论(DFT)计算来确定中间体的自由能,并计算出NRA以及竞争性HER的自由能关系图。



通过密度泛函理论(DFT)计算,在不同pH值下,在低指数晶体表面Cu(111)、Cu(100)和Cu(110) 上评估硝酸盐还原为氨的途径。系统热力学和动力学分析表明,在所有pH范围内最有可能的途径为NO3-→*NO3→*NO2→*NO→*NOH→*NHOH→*NH→*NH2→*NH3→NH3(g),结束了关于NRA途径的长期争论。

另外,NRA中的催化脱氧和加氢过程都受到pH值的显着影响。因此,速率决定步骤和过电位表现出pH依赖性特征。


此外,研究人员还发现pH影响析氢反应(HER)和NRA之间的竞争。通过考虑不同表面上的 NRA和HER,发现除了Cu(110)之外,Cu(100)和Cu(111)对NRA的贡献最大。

具体而言,在近中性和碱性环境中,Cu(111)表现出最佳的NO3--NH3性能,而Cu(100)在强酸性环境中性能较好。铜表面的NRA活性差异归因于局部配位环境和表面原子的电子状态。由于立体定向的Cu-Cu对,在Cu(111)和Cu(100)上实现了强*NOH吸附和弱*NH3吸附,促进了优异的NRA。

Theoretical Insights into Superior Nitrate Reduction to Ammonia Performance of Copper Catalysts. ACS Catalysis, 2021. DOI: 10.1021/acscatal.1c03666


 

(Source: 微信公众号 顶刊动态)