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氨（NH₃）是现代农业中必不可少的化学品，也是氢储能的一种绿色选择。然而，传统的Haber-Bosch过程需要极端的高温高压条件，并消耗大量能源。本研究通过引入反向氢受体-供体（如氢钨青铜 HxWO₃）与铜（Cu）配合，开发了一种中继催化机理，有效提升了硝酸盐到氨的电催化转化效率，降低了能耗并减少了副产氢气的生成。
成果简介
本研究设计了一种Cu/HxWO₃混合催化剂，采用HxWO₃作为可逆氢受体和供体，与Cu的相互作用实现了高效的中继催化机制。这种机制在0 V以上的电位下进行，避免了副产氢的竞争反应，同时显著提升了NH₃的产率，达到3332.9±34.1 mmol gcat⁻¹ h⁻¹，并且在0.10 V vs. RHE电位下法拉第效率接近100%。能耗达到了17.0 kWh/kg NH₃，远低于现有技术水平。
研究亮点
创新中继催化机制：
引入HxWO₃作为氢受体和供体，形成了Cu/HxWO₃混合催化剂，实现了高效的氢中继传递过程，提升了硝酸盐到氨的电催化性能。显著的氨生产效率：
在0.10 V vs. RHE的条件下，Cu/HxWO₃催化剂实现了高达3332.9 mmol gcat⁻¹ h⁻¹的氨产率，且法拉第效率接近100%。降低的能耗与耐久性：
Cu/HxWO₃在180小时的连续反应中展现出卓越的稳定性，实际能耗仅为17.0 kWh/kg NH₃，表明其在工业化应用中的巨大潜力。
配图精析
图1：Cu/HxWO₃混合催化剂的中继催化机制示意图，展示了氢在HxWO₃中的插入和脱插过程，并将氢传递到Cu表面，促进硝酸盐到氨的高效转化。
图2：Cu/HxWO₃@CC催化剂的结构表征。包括扫描电子显微镜（SEM）图像展示了纳米棒在碳布上的垂直生长，X射线衍射（XRD）图谱确认了HxWO₃的晶相，以及电子顺磁共振（EPR）谱图揭示了氧缺陷的存在。
图3：Cu/HxWO₃@CC在不同电位下的催化性能评估，展示了产物的法拉第效率和相应的氨生成速率，以及Cu基催化剂的能耗比较与长期稳定性测试。
图4：原位傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，展示了在不同电位下，Cu/HxWO₃@CC催化剂的W=O和W-OH键的变化，揭示了氢在催化剂表面的行为。
图5：Cu/HxWO₃@CC的理论模型，展示了氢在HxWO₃中的插入/脱插过程及其自由能变化，说明了氢中继传递过程的可行性和有效性。
展望
通过开发Cu/HxWO₃混合催化剂并实现中继机制，本研究在0 V以上电位下高效转化硝酸盐为氨，成功降低了能耗并避免了副产氢的竞争反应。该方法为设计高效氮还原电催化剂提供了新思路，并展示了其在工业规模生产中的巨大应用潜力。
文献信息
期刊：Angewandte Chemie International Edition
DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202417631
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202417631
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