中大Angew: AuCu3表面覆盖应变An膜，实现宽NO3−浓度范围内高效NitRR

催化开天地 · 公众号 · · 2024-07-13 08:23

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电催化硝酸盐离子(NO ₃ ⁻ )转化为氨(NH ₃ )能够同时去除NO ₃ ⁻ 污染物和可持续生产NH ₃ ，其受到人们的广泛关注。从本质上讲，NO ₃ ⁻ 还原反应(NitRR)是一个复杂的八电子转移途径，动力学缓慢，涉及多种中间体、可能的反应途径，以及存在竞争性析氢反应(HER)，严重阻碍了NO ₃ ⁻ 的还原效率和高NH ₃ 产量/法拉第效率(FEs)。此外，真实废水中NO ₃ ⁻ 浓度范围很广，从纺织工业废水中低至7.40 mmol L ^-1 到核废料中高达1.95 mol L ^-1 ，这种显著的浓度差异直接影响NitRR过程，可能会影响不同浓度下的催化剂性能。因此，合理设计并开发高效的NitRR催化剂以应用于不同NO ₃ ⁻ 浓度环境中具有很大挑战。

近日， 中山大学王成新 和崔浩等提出了一种多策略协同优化方法，合理设计具有超薄Au表面的有序介孔珊瑚状AuCu ₃ 纳米催化剂( meso - i -AuCu ₃ @ ultra -Au)，以打破NitRR过程中性能-浓度依赖的限制。内部有序的 meso - i -AuCu ₃ 核可以诱导压缩应变的Au表层，其中定义明确的超薄Au覆盖层(约1 nm)不仅存在于外边缘，而且在整个三维内部介孔中暴露良好。高渗透的结构，加上施加在表层上的压缩应力，不仅促进了快速的电子/传质，而且有效地调节了表面电子结构，进而优化了材料在实际NitRR过程中的电化学行为。

因此， meso - i -AuCu ₃ @ ultra -Au催化剂在较宽的NO ₃ ⁻ 浓度范围(10-2000 mM)内表现出高NitRR活性和FEs，并且它在每种浓度下的性能也与文献报道的该浓度下相应的催化剂相当。

电化学准原位EPR、原位电化学ATR-FTIR和原位拉曼光谱阐明了 meso - i -AuCu ₃ @ ultra -Au上Au表层的压缩有利于各种反应物的扩散和平衡中间吸附，使吸附*H和*NO ₃ ⁻ 的表面覆盖调制良好，导致*NO _x 的加氢反应过程加速。

此外， meso - i -AuCu ₃ @ ultra -Au可以在工业相关电流密度0.60 A cm ⁻² 下连续电解100小时，突出了其工业规模NH ₃ 生产的潜力。还有就是，基于 meso - i -AuCu ₃ @ ultra -Au的Zn-NO ₃ ⁻ 电池(ZNB)的开路电压(OCV)高达1.857 V，功率密度为66 mW cm ⁻² ，可用于同时NH ₃ 合成和供电。总的来说，该项工作为可应用于实际含NO ₃ ⁻ 废水的NitRR电催化剂的设计提供了有价值的见解，并将激发其他可再生能源领域催化剂的设计和开发。

​中大Angew: AuCu3表面覆盖应变An膜，实现宽NO3−浓度范围内高效NitRR

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