南科大/浙大Nature子刊: 碳纳米管负载ZnPc，实现选择性电合成羟胺
学术
2024-12-10 08:18
河南
羟胺(NH2OH)广泛应用于纺织、制药、半导体和核能等行业。目前，NH2OH主要通过NH3氧化生成氮氧化物(NOx)，随后用H2或SO2还原产生。这种复杂的制造过程涉及使用爆炸性的H2和腐蚀性的SO2和NOx，引起了对安全性、成本和可持续性的关注。NH2OH是电催化NO3−或NO2−还原反应(NO3RR或NO2RR)中有价值的中间体。但是，文献报道的NH2OH部分电流密度目前比NH3低两个数量级，这种显著的差异可能归因于NH2OH相当不稳定，很容易还原为NH3。因此，开发能够有效稳定NH2OH中间体的电催化剂(NH2OHRR)是选择性生产NH2OH的关键。近日，南方科技大学梁永晔、江占、浙江大学高翔和张霄等制备了一种碳纳米管负载Zn酞菁(ZnPc)的分子分散电催化剂(MDE)，用于高效生产NH2OH。实验结果和理论计算表明，ZnPc催化剂对NH2OH的还原具有较高的能垒，导致电催化NO3−转化为NH2OH的法拉第效率较高。同时，碳纳米管(CNT)载体具有较高的NH3生成活性，而较高的ZnPc覆盖率可以消除这种影响。此外，原位表征表明，NH2OH和HNO是NO3−还原生成NH3的中间产物，并且NH2OH可以在ZnPc电极中富集，这进一步揭示ZnPc MDE上高NH2OH选择性的因素。性能测试结果显示，优化后的ZnPc MDE即使在电流密度高达410 mA cm-2的情况下也显示出超过50%的NH2OH法拉第效率，周转频率为7.5 s-1。此外，在NO2RR中所产生的NH2OH还能够在低环己酮(CYC)浓度下高选择性地电合成环己酮肟。结果显示，在−0.8 V下显示出64%的环己酮肟法拉第效率，在−0.9 V下的环己酮肟部分电流密度超过318 mA cm-2，优于文献报道的大多数催化剂。总的来说，该项工作通过调节金属中心来调节金属酞菁电催化剂的内在性能，以及调节和外部去除副反应位点来稳定NH2OH中间体，为NH2OH的高效生产提供了一条可行途径。Selective electrosynthesis of hydroxylamine from aqueous nitrate/nitrite by suppressing further reduction. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-54204-2🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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