点击文末阅读原文可直达文献
氨（NH₃）作为基础化学品和潜在的清洁燃料，传统上通过能耗巨大的哈伯-博施法制备，但该过程耗费大量能源并排放大量二氧化碳。电化学硝酸盐还原反应（NO₃⁻-RR）在温和条件下将硝酸盐还原为氨，既能实现绿色制氨，又有助于环境治理。然而，实现高效的NO₃⁻-RR催化在工业电流密度下面临挑战。为此，本文开发了一种低价铁掺杂的镍磷化物（Fe-Ni₂P）催化剂，通过三重调控策略显著提升了NO₃⁻-RR性能。
成果简介
该研究通过在Fe-Ni₂P中引入低价铁（Feδ⁺，0 < δ < 2），利用铁的自发氧化还原反应加速硝酸盐还原，同时抑制副产物氢气的生成。Feδ⁺通过自发反应将NO₃⁻还原为亚硝酸盐（NO₂⁻），避免了NO₃⁻还原到NO₂⁻的高能垒步骤；随后，Fe-Ni₂P的电子结构进一步优化，提高了NO₂⁻到NH₃的转化效率。最终，在工业电流密度（约1000 mA/cm²）下，该催化剂的氨产量达120.1 mg h⁻¹ cm⁻²，法拉第效率超过90%，并在130小时的长期测试中保持稳定。
研究亮点
突破性的三重调控策略：Feδ⁺实现了NO₃⁻到NO₂⁻的快速转化、Ni₂P的电子结构调控和Hads的动态平衡，显著提升了催化剂的氨生成效率。
超高法拉第效率：在宽电势范围内，Fe-Ni₂P的NO₃⁻-RR法拉第效率始终保持在90%以上，表现出优异的电化学性能。
工业级稳定性：在高电流密度和长时间操作中，Fe-Ni₂P显示出卓越的稳定性，有望用于实际工业应用。
配图精析
图1：Fe-Ni₂P@NF催化剂的制备过程，包括氢氧化镍铁（NiFe LDH）的合成和低温磷化形成Fe-Ni₂P纳米片结构，电镜图像展示了纳米片的均匀分布。
图2：X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征了Fe-Ni₂P的结构及其电子状态，显示Fe和Ni元素的电荷转移，优化了NO₃⁻-RR的电子结构。
图3：在不同电势下的NO₃⁻-RR氨产率和法拉第效率，Fe-Ni₂P在-1.1 V下达到120.1 mg h⁻¹ cm⁻²的氨产量和96%的法拉第效率。
图4：原位拉曼光谱揭示了在NO₃⁻-RR过程中，Feδ⁺与NO₃⁻的自发氧化还原生成Fe₂O₃，然后再通过电还原还原回Feδ⁺，形成动态循环。
图5：密度泛函理论（DFT）计算表明Fe-Ni₂P在NO₂⁻转化为NH₃的过程中具有更低的反应能垒，表明Fe的引入优化了反应路径，加速了NO₃⁻-RR过程。
展望
本研究通过创新的Feδ⁺三重调控策略，成功开发了适用于工业电流密度下的NO₃⁻还原催化剂，为清洁、高效的电化学氨合成提供了新思路。未来，这种设计策略有望推广至其他电催化反应的催化剂设计中，推动绿色化学进程。
文献信息
期刊：Angewandte Chemie International Edition
DOI：10.1002/anie.202415300
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202415300
点击阅读原文直达文献~
声明：更多内容请参考原文，如有侵权，后台联系编辑删除。
