第一作者：李越飞、刘晔
通讯作者：李家源 副教授、韩冰莹 博士
通讯单位：西北工业大学、太原理工大学
论文DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202417631
从硝酸盐到氨的电化学转化是可持续制氨的关键步骤，但制氨效率低、能耗高、析氢竞争反应严重。因此，研究人员报道了用于电催化硝酸根制氨的Cu/H
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@CC催化剂，在+0.1 V
vs. RHE条件下，其氨产率为3332.9±34.1 mmol g
cat
-1
h
-1
，法拉第效率接近100 %，能耗低至17.6 kWh kg
ammonia
−1
。理论和实验结果表明，Cu/H
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@CC催化剂在正于0 V
vs. RHE的电位下可实现多组分接力催化机制，包括H
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组分的可逆氢嵌入/脱嵌并溢流扩散至Cu组分实现H介导硝酸根加氢制氨。基于这一催化剂，研究人员进一步设计了两电极流动电解池实现了氨的连续生产，该设备能耗低至17.0 kWh kg
ammonia
-1
。该研究将拓宽电催化剂设计理念，并为大规模制氨以及相应的工业过程提供新思路。
基于前期报道：氢钨矿（H
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）在正于0 V vs. RHE的电位下存在可逆氢嵌入/脱嵌行为，将其与Cu耦合有望在正于0
V vs. RHE的电位下实现多组分协同接力机制用于电催化硝酸根加氢制氨，包括：H
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组分的可逆氢嵌入/脱嵌并溢流扩散至Cu组分实现H介导硝酸根加氢制氨（如图1）。该催化剂有望在正于0 V vs. RHE电位下实现高效电催化硝酸根加氢制氨，在显著降低能耗的同时，可完全规避析氢竞争反应。
图1. 提出的基于体相氢溢流介导的多组分协同机制示意图。
基于此，研究者将Cu颗粒负载于H
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纳米片并负载于碳布上（Cu/H
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@CC）。采用了扫描电镜、X射线衍射谱、电子顺磁共振波谱、红外透射光谱、透射电镜等技术，证实了催化剂的成功合成（如图2）。
图2. Cu/H
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@CC催化剂的设计、合成与表征。
之后，研究者以硝酸盐加氢制氨反应为模型反应，评价了所制备的Cu/H
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@CC的催化性能（如图3）。该催化剂在低能耗条件下（17.6
kWh kg
ammonia
−1
），可获得高的氨产率（3332.9±34.1
mmol g
cat
-1
h
-1
），法拉第效率接近100 %。基于该催化剂，研究者进一步设计了两电极流动电解池实现了氨的连续生产，该设备能耗低至17.0 kWh kg
ammonia
-1
。
图3. Cu/H
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@CC催化剂的电催化性能。
结合多种原位表征及模拟(电化学阻抗、电化学循环伏安法、原位红外等)方法（如图4），研究人员验证了上述体相氢溢流介导的多组分协同机制。
图4. Cu/H
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@CC催化剂表面体相氢溢流介导的多组分协同催化机制的实验证据。
理论计算表明（如图5）：Cu/H
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@CC催化剂体相氢溢流介导的多组分协同机制在能量上是更有利的，限速步H
Cu
+NO
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*→NO
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H*能垒显著降低为0.51 eV，进而能合理解释Cu/H
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@CC催化剂催化性能的增强。
图5. Cu/H
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@CC催化剂表面电催化硝酸根加氢过程的理论计算。
在这项工作中，研究者在Cu/H
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@CC上证实了体相氢溢流介导的多组分串联机制用于电催化氢化反应，包括H
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组分的可逆氢嵌入/脱嵌并溢流扩散至Cu组分实现H介导硝酸根加氢制氨，进而在正于0 V vs. RHE的电位下实现了高效电催化硝酸根加氢制氨。
李家源，西北工业大学化学与化工学院副教授，主要从事溢流效应增强电催化相关研究，以第一/通讯作者身份在
Angew. Chem. Int. Ed.
、Nat. Commun.、Acc. Chem. Res.、ACS Energy Lett.、Energy Environ. Sci.、ACS Catal.
等期刊发表SCI论文30余篇，授权专利2项。2018年入选“中国博士后创新人才支持计划”、2021年入选“陕西省青年新星”、2020年入选“陕西省高校青年人才托举计划”。2023年获“陕西省青年科技奖(第一完成人)”、“陕西高等学校科学技术研究优秀成果奖一等奖(第一完成人)”、“陕西省自然科学优秀学术论文奖(第一完成人)”。目前主持横/纵向科研课题9项。任Carbon
Energy、Chin. Chem. Lett.、Chin. J. Struct. Chem.、Rare Metals等国内外学术期刊青年编委。
课题组主页：
https://teacher.nwpu.edu.cn/jiayuanli
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