文献信息
文献名称：Synergizing Fe2O3 Nanoparticles on Single Atom Fe-N-C for Nitrate Reduction to Ammonia at Industrial Current Densities
发表时间：2024年4月28日
所属期刊：Advanced Materials
DOI：10.1002/adma.202401133
全文速览
开发一种新型的活性粒子-活性支撑催化剂系统，即Fe2O3纳米粒子负载在原子级分散的Fe-N-C上，用于电化学还原硝酸盐（NO3-）至氨（NH3）。优化后的3×Fe2O3/Fe-N-C催化剂在工业相关电流密度下展现出极高的NO3RR活性，最大NH3部分电流密度达到1.95 A cm−2，法拉第效率（FE）为100%，NH3产率达到超过9 mmol h−1 cm−2。原位XANES和原位XPS揭示了预还原激活步骤的重要性，该步骤将表面Fe2O3（Fe3+）还原为高活性的FeO位点，并在电解过程中保持这些位点。耐久性研究表明，Fe2O3粒子和Fe-Nx位点在高阴极电位下表现出鲁棒性，能够在24小时内保持-1.3 A cm−2的电流。这项工作展示了一种有效且耐用的活性粒子-活性支撑系统，增强了NO3RR的性能，实现了工业相关电流密度和接近100%的选择性。
结果与讨论
1. 催化剂的制备与表征：
成功合成了Fe2O3纳米粒子负载在原子级分散的Fe-N-C上的催化剂。通过一系列物理化学表征技术，如STEM、EELS、XAS和XPS，确认了催化剂中Fe2O3的纳米结构和Fe-N-C的原子分散性。这些技术还揭示了Fe2O3和Fe-Nx位点在催化剂中的电子状态和配位环境。
2.电化学NO3RR性能：
优化后的3×Fe2O3/Fe-N-C催化剂在碱性介质中展现出极高的NO3RR活性，实现了1.95 A cm−2的NH3部分电流密度和100%的法拉第效率。此外，该催化剂在广泛的电位范围内保持了高NH3选择性，表明其对NH3的选择性具有电位独立性。
3. 预还原激活步骤的重要性：
通过原位XANES和原位XPS分析，发现预还原激活步骤对于获得高NO3RR性能至关重要。该步骤将表面Fe3+还原为高活性的Fe0位点，这些位点在NO3RR电解过程中得以维持，从而显著提高了NO3RR的性能。
4.耐久性测试：
进行了24小时的耐久性测试，结果表明3×Fe2O3/Fe-N-C催化剂能够在-1.0 V的电位下保持稳定的电流密度和法拉第效率，证明了其在高阴极电位下的鲁棒性。STEM图像显示，即使在长时间的电解后，Fe2O3纳米粒子和Fe-Nx位点的结构仍然保持稳定。
附图
Fig.1 a)合成方案，利用牺牲载体法和有机溶剂合成法在原子级分散的Fe-N-C上沉积Fe2O3纳米颗粒。
Fig. 3 Fe2O3基催化剂和载体在1 M KOH + 0.16 M KNO3电解液中的电化学NO3RR性能
Fig. 4 优化后的3 × Fe2O3 / Fe-N-C催化剂在1 M KOH + 0.16 M KNO3电解液中，碳纸电极上负载0.5 mg cm - 2催化剂的电化学NO3RR性能. a)优化FENH3和YieldNH3作为外加电位的函数. b)比较目前文献中的NO3RR性能，评估与jNH3相比的阴极能量效率.每个已报道的NO3RR系统的详细信息和参考文献见原文。在c)电网电价，d)可再生能源的理想化成本，e)降低电解槽电堆成本的情况下，绘制了评估阴极能效与jNH3在NH3平准化成本上权衡的等值线图。其中，性能沿轮廓向右上角改进。
Fig. 5 a)3×Fe2O3/Fe-N-C催化剂的耐久性研究（在1 M KOH+0.16 M KNO3电解液中,-1.0 V下电解24 h）
关注不迷路，下期更精彩
