电子科大孙旭平、川大应斌武团队热点文章丨三维多孔Co泡沫用于高性能电催化硝酸根到氨的转化

01

研究背景

氨 (NH₃)，因其能量密度高、含氢量丰富、运输方便等优点，成为一种很有前途的无碳能源载体，也是现代农业和工业必不可少的初级化学品。电化学硝酸还原 (eNO3⁻RR) 是一种“变废为宝”的策略，可以去除硝酸盐 (NO₃⁻) 污染物，同时将其转化为具有经济价值的氨，但这一过程需要高活性和选择性的电催化剂。金属 Co 催化剂具有活性高、储量丰富等优点，广泛用于 NO₃⁻ 电还原。除了催化剂的本征活性以外，电极材料的电催化活性在一定程度上还取决于其结构。具有三维多孔泡沫结构的电极材料拥有丰富的电活性位点和快速的电子转移通道，对电催化反应非常有利。因此，本文采用动态氢气泡为模板，在钛片上电沉积制备了三维多孔 Co 泡沫，并作为高效的 NO₃⁻ 还原的电催化剂用于环境条件下驱动 NO₃⁻ 到 NH₃ 的电化学转化。

02

研究内容

近日，电子科技大学孙旭平教授联合四川大学应斌武教授课题组采用动态氢气泡模板辅助的电沉积方法，在钛片上制备了三维多孔 Co 泡沫 (Co foam/TP)。通过一系列的表征可知，Co foam 在 TP 基底表面呈现出由众多超薄纳米片叠加而成的独特的三维多孔泡沫结构，其可以提供大量的电化学活性位点和快速的电子转移途径，进而促进 NO₃⁻ 还原 (图1)。

图1 (a) Co foam/TP 的合成示意图；(b) Co foam/TP的XRD；(c) Co foam/TP 的 SEM；(d) Co foam/TP 的 EDX-mapping图；(e) Co foam 在 Co 2p区域的XPS谱；(f) Co foam的 TEM 和 (g) HRTEM。

通过改变电沉积时间，制备了一系列泡沫 Co foam/TP，研究了其对形貌和 eNO₃⁻RR 活性的影响。不同沉积时间 (10–90 s) 制备的 Co foam/TP 电催化剂的形貌如图2所示。10 s 的沉积时间显然不足以形成完整的三维泡沫结构。随着沉积时间的延长，开始形成相互连通的开孔泡沫结构。70 s 后得到的 Co 泡沫/TP 呈现出完全覆盖的均匀多孔 Co 沉积层，具有超薄纳米片亚基，可以提供较大的活性表面积。然而，较长的沉积时间 (90 s) 会导致更紧密的聚集和更厚的纳米片，从而减少电活性位点。正如预期的那样，最佳沉积时间 (70 s) 的 Co foam/TP 具有最佳的 eNO₃⁻RR 活性 (图3)，并且对其 eNO₃⁻RR 性能进行了详细的研究。

图2 不同沉积时间 (10–90 s) 的 Co foam/TP 的 SEM 图像。

图3 不同沉积时间 (10–90 s) 下 Co foam/TP 的 LSV 曲线。

Co foam/TP 催化 NO₃⁻ 电还原制氨的电化学性能表明，在−0.4 V 时 Co foam/TP 的氨产率高达 600.6 μmol h⁻¹ cm⁻²，且法拉第效率为 96.5%，其性能高于 Co film/TP 和空白 TP，也优于大多数已报道的电催化 NO₃⁻ 还原的钴基催化剂(图4)。

图4 Co foam/TP 的电催化 NO₃⁻RR 性能。

03

总结展望

本研究不仅为环境条件下 NO₃⁻ 电还原制 NH₃ 提供了一种经济高效的电催化剂，而且为制备活性稳定的 NH₃ 电合成催化剂提供了一种简便、低成本、节能、省时的方法。

04

论文信息

Three-dimensional porous Co foam with nanosheets subunits for high-performance electrocatalytic nitrate-to-ammonia conversion

Jie Chen, Xun He, Jun Li, Xiuhong Li, Zhengwei Cai, Yongsong Luo, Dongdong Zheng, Tingshuai Li, Yan Wang, Qian Liu, Shengjun Sun, Asmaa Farouk, Mohamed S. Hamdy, Xuping Sun and Binwu Ying

Inorg. Chem. Front., 2023, Advance Article

https://doi.org/10.1039/D3QI00718A

*文中图片皆来源上述文章

点击“阅读原文”直达上述文章

05

通讯作者简介

孙旭平 教授

电子科技大学

孙旭平，电子科技大学基础与前沿研究院教授。2006 年毕业于中国科学院长春应用化学研究所，获博士学位。2006-2009 年期间先后在康斯坦茨大学、多伦多大学和普渡大学从事博士后研究工作，2010 年1 月加入长春应化所，2015 年11 月到四川大学工作，2018 年4 月加入电子科技大学。入选四川省学术和技术带头人（2018）、英国皇家化学会高被引作者（2017-2020）、化学领域中国高被引学者（2018-2019）、材料科学领域中国高被引学者（2020-2021）、化学和材料科学领域全球高被引科学家（2018-2020）、全球顶尖前10万科学家(2020-2022)、英国皇家化学会会士（2020）。发表论文 600 余篇，总引用次数 6.4 万次，H指数 131。长期致力于纳米功能材料设计、结构调控及催化和传感应用研究，目前主要围绕碳中和开展研究，重点聚焦于绿氢及绿氨电化学合成、汽车尾气及工业废水电化学脱硝等。

应斌武 教授

四川大学

应斌武，四川大学华西医学技术学院副院长，华西临床医学院医学检验系/华西医院实验医学科主任，博士研究生导师。第十二批四川省学术和技术带头人，2022 年教育部宝钢优秀教师奖获得者，第三届国之名医（青年新锐）获得者，四川省抗击新冠肺炎疫情先进个人，四川大学优秀青年学者基金获得者，四川大学五粮春优秀青年教师奖获得者。主要从事于感染性疾病的分子诊断学研究。负责 5 项国家自然科学基金（区域创新重点项目、面上项目等）、2 项科技部重大专项子课题、1 项教育部博士点新教师基金、3 项四川省科技厅重点研发计划/科技支撑项目等，累计科研经费 2600 余万元。已发表论文200 余篇，其中以第一作者/通讯作者发表 SCI 论文161 篇（27篇中科院一区，23 篇 IF>10），累计影响因子达 917 分，总他引 2900 余次，H 指数 27。获国家发明专利 10 项。获四川省科技进步奖一等奖 1 项，四川省医学会医学科技（青年奖）一等奖 1 项，成都市科技进步二等奖 1 项。

推荐阅读

东华大学杨建平团队丨金属载体相互作用策略用于无粘结剂电催化硝酸盐还原

微信改版，公众号文章不再以时间轴排列啦！

将Frontiers Journals设为星标⭐ 不错过更多精彩内容！

喜欢今天的内容？

👇    就来分享、点赞、在看三连吧    👇