近日，碳中和研究院研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Functional Materials發(fā)表題為《氫溢流效應(yīng)促進(jìn)多孔Ni₂P/Pd₆P納米棒催化硝酸鹽電還原合成氨性能》的研究論文。Advanced Functional Materials是材料科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊，主要刊載納米技術(shù)、材料物理及化學(xué)和生物材料等方面的突破性研究和綜述文章，2023年影響因子為19.0。浙江萬(wàn)里學(xué)院為第一署名單位，陳忠偉、王新為通訊作者，碳中和研究院青年教師張曉雨為第一作者。

化石燃料過(guò)度使用導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題不容忽視。其中，溫室氣體中的氮氧化物通過(guò)酸雨進(jìn)入到地表水，再加上人為的化學(xué)生產(chǎn)和農(nóng)作物施肥，導(dǎo)致大量的含氮污染物進(jìn)入地表水和含水層，引起土壤酸化和地表水富營(yíng)養(yǎng)化等一系列環(huán)境問(wèn)題，對(duì)人類健康構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。因此，選擇高效清潔的方法去除硝酸鹽污染物刻不容緩。和傳統(tǒng)的處理方法相比，電催化法去除硝酸鹽反應(yīng)條件溫和，可以通過(guò)改變反應(yīng)電壓控制反應(yīng)的產(chǎn)物及速率，不會(huì)形成二次污染。同時(shí)，電催化硝酸鹽還原合成氨是取代傳統(tǒng)合成氨的新方法。但是，陰極析氫競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的發(fā)生導(dǎo)致產(chǎn)氨的效率降低。由于還原產(chǎn)物種類較多，氨的選擇性降低。因此，制備選擇性較高的催化劑是提高電催化硝酸鹽合成氨反應(yīng)效率的關(guān)鍵。

針對(duì)該領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，陳忠偉院士與王新研究員合作發(fā)表題為“Boosting the Electroactivity of Porous Ni₂P/Pd₆P Nanorods for Nitrate to Ammonia through Hydrogen Spillover Effect”的研究論文。該文章在磷化鎳催化劑中引入Pd元素，通過(guò)Pd的氫溢流效應(yīng)抑制析氫副反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)提高合成氨的選擇性和產(chǎn)率。該方法為含氮污水治理提供新的思路，同時(shí)也是取代傳統(tǒng)合成氨的新方法。

圖1. Ni₂P/Pd₆P催化劑的制備流程以及硝酸鹽還原合成氨的反應(yīng)機(jī)理

理論計(jì)算表明，Pd元素的引入改變了Ni₂P電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了催化劑表面對(duì)NO₃^-的吸附，Pd位點(diǎn)作為還原H的吸附位點(diǎn)，通過(guò)氫溢流效應(yīng)為硝酸鹽還原反應(yīng)提供豐富的還原氫，提高了硝酸鹽還原合成氨的速率，選擇性以及產(chǎn)率。同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證明產(chǎn)物氨中的N元素來(lái)自NO₃^-，排除了環(huán)境中NH₃的影響。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該催化劑合成氨的選擇性高達(dá)93.4%，氨產(chǎn)率為0.908 mmol h^-1mg_cat^-1。

圖2. Ni₂P/Pd₆P催化劑表征結(jié)果

圖3. Ni₂P/Pd₆P納米棒催化硝酸鹽還原合成氨的性能

圖4. 硝酸根還原合成氨的理論計(jì)算結(jié)果

【文章鏈接】

Boosting the Electroactivity of Porous Ni₂P/Pd₆P Nanorods for Nitrate to Ammonia Through Hydrogen Spillover Effect

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202313548