利用风能、太阳能产生的绿色，通过电催化还原将硝酸盐转化为高附加值的氨，为氮资源循环利用提供了一种有前景的解决途径。然而，硝酸盐电还原过程中涉及多种含氮中间体的吸附和转化，吸附构型的多样性使单一催化剂难以同时满足对于中间体的优化吸附，导致目前研发的催化剂面临氨产率较低的问题。此外，设计和制备在超低至高浓度硝酸盐中均表现高性能的催化剂仍然是一个挑战。
近日，苏州科技大学郭春显教授、汪昌红副教授及其新能源电催化团队，设计和可控制备了一种双金属纳米尖端铜银合金催化剂，展现出局部定制微环境和尖端增强富集效应，在超低至高浓度硝酸盐范围下实现了高的氨合成效率。
优化后的双金属Cu11Ag3合金纳米尖端催化剂在1800 mg-N L-1的硝酸盐浓度下，在-0.33 V vs.RHE的低电位下实现了2.36 mmol h-1cm-2的高氨产率、98.8%的高法拉第效率，且具有优异的稳定性。此外，Cu11Ag3在15 mg-N L-1的硝酸盐浓度下表现出86.9%的法拉第效率和93.8%的氨选择性。实验结果也表明，水体中存在的其他离子对Cu11Ag3电催化硝酸盐合成氨的催化性能影响较小，证明了该催化剂在实际应用中的潜力。
催化机理方面，通过有机结合Operando ATR-FTIR光谱、有限元FEM仿真和密度泛函理论DFT计算，发现Cu11Ag3降低了氮中间体的吸附势垒，促进水分解生成*H，同时具有较高的H2生成势垒，有效避免了析氢副反应的发生；此外，由于尖端强化的富集效应，在超低硝酸盐浓度下，硝酸盐可以在Cu11Ag3周围聚集，加快反应速率，进而促进硝酸盐电催化合成氨。
总之，该研究报道了一种独特的双金属纳米尖端铜银合金催化剂，在超低至高浓度硝酸盐范围下均展现高的合成氨性能，将定制的局部微环境和尖端增强富集效应有机结合的策略也可用于设计其他能源体系催化剂。
论文信息
Bimetallic Cu11Ag3 Nanotips for Ultrahigh Yield Rate of Nitrate-to-Ammonium
Dr. Changhong Wang, Dr. Zhengyang Liu, Quanxiao Peng, Dandan Xing, Dr. Tao Hu, Dr. Feng Du, Prof. Changming Li, Prof. Ruguang Ma, Prof. Hongbin Yang, Prof. Chunxian Guo
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202415259
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