苏州大学冯莱教授、李晓虹教授， AFM：FeIr合金优化硝酸盐还原与活性氢生成的平衡实现中性电解液中氨的高效电催化合成

第一作者：熊杰

通讯作者：冯莱*，李晓虹*

单位：苏州大学

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近日，来自 苏州大学能源学院的冯莱教授与材料与化学化工学部的李晓红教授 ，在国际知名期刊 Advanced Functional Materials 上发表题为 “FeIr Alloy Optimizes the Trade-Off Between Nitrate Reduction and Active Hydrogen Generation for Efficient Electro-Synthesis of Ammonia in Neutral Media” 的文章。通过电催化硝酸盐还原反应（NITRR）可在温和条件下合成氨，具有低能耗、零碳排放等优势。但由于中性环境中水裂解的能垒高，导致活性氢（*H）供应不足，从而限制NO₃⁻加氢反应，导致氨产率较低。为了应对上述挑战，我们设计了一种FeIr双金属合金电催化剂，能够有效平衡NITRR与产*H，从而展现出优异的NITRR催化活性。在-0.6 V（vs RHE）下，NH₃的法拉第效率达到97.3%，产率为11.67 mg h⁻¹ cm⁻²，优于Ir、Fe单金属催化剂和大多数文献报道的Fe基催化剂。此外，将NITRR与甲醇氧化反应（MOR）耦合，在2 V的槽压下实现了NH₃和甲酸盐的可持续生产，总法拉第效率接近200%。

作者采用改良的溶剂热法合成了负载在泡沫镍（NF）上的FeIr合金纳米催化剂。

为阐明FeIr合金催化剂的硝酸盐还原反应（NITRR）反应路径，进行了一系列原位测试。在拉曼光谱中，977 cm−1和1045 cm−1处的峰分别归属于SO₄²⁻和NO₃⁻。随着反应的进行，SO₄²⁻的峰强保持稳定，而NO₃⁻的峰强逐渐减弱，表明NO₃⁻在催化剂表面持续消耗。此外，在反应进行40-50分钟后，出现了与NH和NH₂相关的两个峰，表明这些中间体的形成。结合原位差分电化学质谱（DEMS）技术，进一步证实了NITRR过程中生成了NH、NH₂、NH₃、NO、NHO和NHOH等中间体和产物，可能存在“NHO或NOH路径”。DFT计算表明，FeIr合金能够显著增强硝酸盐的吸附，调控*H的生成，从而促进NITRR过程。

为研究FeIr合金催化剂的应用潜力，我们构建了基于H型流动池的双电极系统。以FeIr/NF作为阴极，以已报道的NiMn-LDH作为阳极。结果表明，在NITRR‖MOR条件下，FeIr(−)‖NiMn-LDH(+)电极对在2 V下实现了NH₃和甲酸盐的可持续生产，并具有较高的法拉第效率和稳定性。

FeIr Alloy Optimizes the Trade-Off Between Nitrate Reduction and Active Hydrogen Generation for Efficient Electro-Synthesis of Ammonia in Neutral Media

冯莱教授简介： 江苏省特聘教授，博士生导师。1997和2000年毕业于大连理工大学，获学士、硕士学位；2003年获北京大学理学博士学位。2003-2007先后作为日本学术振兴会(JSPS)外国人特别研究员在日本筑波大学(University of Tsukuba)工作，及洪堡学者在埃尔兰根大学（Friedrich-Alexander-University of Erlangen-Nürnberg）访问工作。2007-2012年先后作为副研究员在中科院化学所工作以及作为外国人研究员在日本筑波大学筑波前沿研究联盟中心工作。2012年起加入苏州大学能源学院，先后获得“江苏省特聘教授”，江苏省“六大人才高峰”等人才项目。课题组主要从事电催化合成、无机钙钛矿太阳能电池和新型碳材料的研究。以第一作者和通讯作者在在Nat. Commun.，Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc.， Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B Environ.等国际重要学术期刊发表论文100余篇，H因子37。

李晓虹教授简介： 苏州大学材料与化学化工学部副教授、硕士生导师。2004年，北京大学本科毕业，师从张新祥教授。2011年，美国阿克伦大学获化学博士学位。导师为Peter Rinaldi教授。设计多维液体核磁方法对高分子材料的化学结构有效进行表征。2009年，获 Dr. G. E. Wilson and M. P. Wilson（NMR Award）核磁奖。2010年，荣获美国国家化学学会颁发国家级“高分子学科卓越研究生奖”。2011年9月任苏州大学特聘副教授，硕导，苏州大学分析测试中心核磁中心主任。同年聘为江苏省分析测试协会核磁专业委员会委员。次年任江苏省分析测试协会核磁专业委员会副主任委员。