ChemSusChem：双介孔氮掺杂碳负载Cu单原子助力高效硝酸根还原制氨

杭州师范大学叶伟博士和高鹏教授团队成功构建双介孔氮掺杂碳负载Cu单原子用于高效的硝酸盐电合成制氨，实现了高的氨生成速率和高的法拉第效率。

工业上哈伯-博世法合成氨（NH₃）在现代社会中起着极其重要的作用，然而高的能源消耗和环境污染严重激发了新的高效、绿色的氨合成方法研究。将污染物硝酸根离子（NO₃^-）电还原回氨是哈伯-博世法的一种有效补充，但该方法仍受限于低的氨生成速率和低的法拉第效率。同时，NO₃^-的还原产物众多，在金属催化剂表面，NO₃^-在还原过程中容易发生偶联生成无用产物N₂，如何提高NO₃^--to-NH₃的选择性也是需要解决的问题。

有鉴于此，杭州师范大学叶伟博士和高鹏教授团队通过设计、构建单原子活性位点来尽可能提高活性位点的数目以及调控活性位点的本征活性来提高NO₃^-制NH₃活性。通过在ZIF-8孔道中包覆Cu前驱体，在高温下转化成Cu-N₄单原子活性位点。通过理论计算发现，形成的Cu-N₄活性位点相对于Cu团簇而言降低了NO₃^--to-NH₃决速步能垒。此外，理论计算还发现，Cu-N₄位点促使中间产物*N₂O₃转变成*NO和*HNO₂而不是继续氢化得到N₂，显著提高NO₃^--to-NH₃选择性。同时，在高温煅烧过程中，在Cu原子的催化作用下ZIF-8转化成了内外孔径不同的双介孔碳载体。内部较大的孔径可以提高NO₃^-和产物的传质动力学。基于本征活性位点以及传质动力学的改善，双介孔氮掺杂碳负载的Cu单原子催化剂在-1.0 V（相对于可逆氢电极）下，氨的生成速率达到了13.8 mol_NH3 g_cat.^–1 h^–1，法拉第效率达到了95.5 %。在流动池中连续电解，最终得到了3.6 L，0.1 M的氨溶液。该研究为高活性、高选择性、可实用化的硝酸根还原制氨电催化剂的设计提供了新思路。

论文信息

Atomically Dispersed Cu Sites on Dual-Mesoporous N-Doped Carbon for Efficient Ammonia Electrosynthesis from Nitrate

Mengqiu Xu, + Qifan Xie, + Delong Duan, + Ye Zhang, Yuhu Zhou, Haiqiao Zhou, Xiaoyu Li, Yao Wang, Peng Gao,* Wei Ye*

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DOI: 10.1002/cssc.202200231

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