延安大学NC：可控Cu(0)-Cu(+)点，用于安培级电催化氨合成

近年来，氧化物衍生（ OD ） Cu 催化剂因对有价值的 NH ₃ 具有优异的 NO ₃ ^- RR 活性而受到广泛研究。机理研究表明， OD Cu 催化剂在负电位下会被电化学还原为不饱和 Cu 物种，而协同的 Cu ⁰ -Cu ⁺ 位点被视为 NO ₃ ^- RR 过程中 NH ₃ 合成的活性物种。因此，已经进行了大量研究来合成具有 Cu ⁰ -Cu ⁺ 位点的 OD Cu 催化剂，并揭示了 NO ₃ ^- RR 过程中的协同机理。研究还表明，界面结构将决定硝基中间体和质子的吸附方式，从而显著影响氮选择性。然而，界面 Cu ⁰ -Cu ⁺ 位点的反应机理和各自作用仍不清楚。最大的障碍之一是难以有效地调控界面 Cu ⁰ -Cu ⁺ 结构，因为 OD Cu 的结构模式在负电位下不稳定。一些研究致力于通过强的金属 - 载体相互作用来控制 Cu ⁰ -Cu ⁺ 位点的界面结构，而载体和活性 Cu 位点之间的电子相互作用不可避免地会对界面 Cu ⁰ -Cu ⁺ 位点的各个作用产生干扰。因此，为了提高 Cu 基电催化剂的 NO ₃ ^- RR 性能，非常有必要通过可控的 Cu ⁺ -Cu ⁰ 位点来了解界面行为和反应机理。

延安大学杨春明副教授、付峰教授、山西大学杨恒权教授、南京林业大学荆宇教授等研究人员 开发了一种可行且有效的策略，通过调节 Cu ₂ O 纳米立方体催化剂的尺寸效应来构建可调的 Cu ⁺ –Cu ⁰ 界面结构。通过原位电化学拉曼和 X 射线吸收近边结构 (XANES) 表征，将宏观粒径与微观局部配位结构特性关联起来，揭示了 Cu ⁺ -Cu ⁰ 对的设计原理。通过将宏观粒径与微观配位结构性质关联起来，阐明了 Cu ⁰ -Cu ⁺ 结构形成的机理，并确定了 Cu ⁰ -Cu ⁺ 结构对 NO ₃ ^- RR 的协同作用。基于 Cu ⁰ -Cu ⁺ 界面电催化剂的合理设计，开发了一种高效的对电解系统，通过将阴极 NO ₃ ^- RR 过程与阳极 HMF 电化学氧化反应 (HMFOR) 过程耦合，在工业相关的电流密度下同时实现 NH ₃ 和 2,5- 呋喃二甲酸 (FDCA) 的高效生产，同时保持高法拉第效率 (FE _NH3 75.6% ， FE _FDCA 71.2%) 、 NH ₃ (5.20 mmol h ^-1 cm ^-2 ) 和 FDCA (0.47 mmol h ^-1 cm ^-2 ) 的产率以及 100 cm ² 阴离子交换膜 (AEM) 电解槽中的长期运行稳定性 (20 小时 ) ，表明具有良好的实际应用前景。技术经济分析证明了该系统的潜力。

相关研究成果2025年3月10日以“ Size-effect induced controllable Cu ⁰ -Cu ⁺ sites for ampere-level nitrate electroreduction coupled with biomass upgrading ”为题发表在 Nature Communications 上。