文献信息
Rational regulation of Cu species in N-doped carbon-hosted Cu-based single-atom electrocatalysts for the conversion of nitrate to ammonia
期刊：Coordination Chemistry Reviews
DOI号：https://doi.org/10.1016/j.ccr.2024.216174
全文速览
硝酸盐（NO3−）污染对生态环境和人类健康构成了巨大威胁。电催化硝酸盐还原反应（NO3RR）作为一种有效的解决NO3−污染的方法而受到关注。单原子催化剂（SACs）因其高效的原子利用、可调节的配位环境和精确定义的活性位点而展现出卓越的活性、选择性和稳定性。特别是，氮掺杂碳基铜单原子催化剂（Cu SACs）已成为推动电催化NO3RR的有前景的材料。然而，学术界存在明显的差距，尤其是缺乏对基于碳材料的Cu SACs在电催化NO3RR方面的全面综述。本文综述了Cu SACs在电催化NO3RR发展中的里程碑，总结了Cu SACs的发展、NO3RR到NH3的电催化机制和先进的表征技术。讨论扩展到Cu SACs在电催化NO3RR中生产氨（NH3）的应用。总之，本综述阐述了与Cu SACs相关的挑战和未来展望，旨在为设计SACs的复杂领域提供先进的见解。
主要研究问题
文章的主要研究问题是关于氮掺杂碳载铜基单原子电催化剂（Cu SACs）在电催化硝酸盐还原反应（NO3RR）转化为氨（NH3）中的应用。具体来说，文章探讨了以下几个关键方面：
Cu SACs的开发：文章介绍了Cu SACs在电催化NO3RR中的发展里程碑，包括Cu SACs的发展、NO3RR到NH3的电催化机制以及先进的表征技术。
NO3RR的电催化机制：文章总结了NO3RR到NH3的电催化机制，包括涉及的反应路径和中间体。
Cu SACs的应用：讨论了Cu SACs在电催化NO3RR中生产NH3的应用，包括提高Cu SACs电催化活性的创新策略。
Cu SACs面临的挑战和未来展望：文章最后讨论了Cu SACs在设计SACs的复杂领域中的挑战和未来发展方向。
结论
文章的结论强调了以下几点：
环境和经济效益：电催化NO3RR转化为NH3是一种理想的途径，既能解决NO3-污染的环境问题，又能产生有价值的NH3。
Cu SACs的潜力：作为非贵金属催化剂，Cu SACs在高效和选择性NH3生产方面展现出显著潜力，利用其独特的3d10电子构型作为活性位点。
实际应用的挑战：尽管取得了进展，但Cu SACs在实际大规模NH3生产中的应用仍面临重大挑战。
未来研究方向：文章提出了几个未来的研究方向，包括使用先进的原位和操作技术来深入理解NO3RR机制、优化H吸附以提高NH3生产效率、利用双单原子位点的协同效应、实施串联电催化NO3RR以提高NH3生产效率和选择性，以及通过优化阳极半反应来同时生产NH3和高附加值化学品。
图表
文章中包含了多个图表，每个图表都展示了与氮掺杂碳载铜基单原子电催化剂（Cu SACs）在电催化硝酸盐还原反应（NO3RR）转化为氨（NH3）相关的不同研究结果和机制。以下是对文章中图表的汇总和总结：
图1：提供了本综述的概览，展示了Cu SACs在电催化NO3RR中的应用和研究进展的总结。
图2：展示了Cu SACs在NO3RR中的重要发展里程碑，基于近年来的研究发现，概述了Cu SACs的发展历史和关键进展。
图3：展示了AC-HAADF-STEM图像，证明了Cu SACs中孤立Cu物种的存在，以及XPS光谱用于进一步识别Cu和N原子的存在和Cu的价态。FT-EXAFS光谱证明了Cu1-NCB中只存在Cu-N配位，WT-EXAFS图进一步确认了Cu1-NCB中的原子Cu物种。
图4：展示了电化学NO3RR机制和路径的示意图，以及NO3RR中间体吸附方案和转移路径的详细说明。
图6：展示了PR-CuNC的制备过程，NH3产率和法拉第效率（FE）与电位的关系，以及PR-CuNC的稳定性测试结果。此外，还展示了Cu-pyrrolic-N4和Cu-pyridinic-N4的电荷密度差异和PDOS图，以及Cu-pyrrolic-N4和Cu-pyridinic-N4位点的自由能图。
图7：展示了不同SAs上NO3-的电荷密度变化和相关的电荷转移，以及NO3RR在NH3生产上的最小能量路径（MEP）和吉布斯自由能图。
图8：展示了Cu-N-C-800催化剂的制备过程，NO3-和NO2-的转化比例，以及NO3-和NO2-在Cu (111)、Cu-N4和Cu-N2位点上的吸附自由能图。
图9：展示了Cu-N3 SACs/NCNT的制备过程，NH3产率，NO3-、NO2-和NH3的浓度变化，以及Cu-N3位点的最优NH3生产路径。
图10：展示了Cu MNC电催化剂的制备示意图，NO3-转化效率和N基物种产率选择性，以及NO3RR在Cu(I)-N3C1和Cu(II)-N4位点上的自由能图。
图11：展示了BCN-Cu的制备过程，NH3产率和FE，以及电催化NO3RR在BCN-Cu上的自由能图。
图12：展示了Cu-N4/P的制备过程，NH3产率和FE，以及15N同位素标记实验和NO3RR在Cu-N4/P和Cu-N4上的自由能图。
图13：展示了Fe/Cu-HNG的制备过程，元素映射图像，以及NO3RR在Fe/Cu-HNG上的自由能图。
图14：展示了Cu/Ni-NC催化剂的制备过程，NH3产率和NO3-转化效率，以及Cu/Ni-NC、Cu/Ni-NC-NO3-*、Cu-NC-NO3-*和Ni-NC-NO3-*的电子局域函数（ELF）、电荷密度差异和相关的电荷转移，以及NO3RR在Cu-NC、Ni-NC和Cu/Ni-NC催化剂上的自由能图。
