通过将Pd纳米簇异质化到Ni3C多足结构上来调节氢交换能力，从而高效驱动“甲醛-硝酸盐”串联电化学系统

《Journal of the American Chemical Society》：Modulating Hydrogen Exchange Capabilities by Heterogenizing Pd Nanoclusters onto Ni3C Multipods for Efficiently Driving the “Formaldehyde-Nitrate” Tandem Electrochemical System

硝酸盐和甲醛的协同电催化转化研究。提出Pd纳米簇负载镍碳催化剂（Pdnc-Ni3C），兼具硝酸盐还原（阴极）和甲醛氧化（阳极）双功能，实现高电流密度（910 mA cm-2）和98%法拉第效率。创新性揭示H2 evolution的新耦合路径，构建甲醛-硝酸盐原电池，开放电路电压0.88 V，功率密度7.4 mW cm-2，同步产出H2/NH3和甲酸，兼具环保与经济效益。

　　

硝酸盐和甲醛是常见的工业副产物和水污染物，对环境和健康构成严重威胁。然而，由于氢（H*）转移速度缓慢以及回收策略有限，它们的有效转化仍然具有挑战性。尽管近期研究探索了硝酸盐还原（NO₃RR）和甲醛氧化（FOR）的耦合过程，但这些研究存在关键局限性，如无法生成氢气（H₂）、缺乏电能输出，以及依赖容易失活的铜基催化剂。本研究提出了一种基于碳化镍（Ni₃C）的钯纳米簇（Pd_nc-Ni₃C）作为非铜基双功能催化剂，该催化剂具有优异的氢转移能力，可实现硝酸盐还原和甲醛氧化的双向催化。在阴极，Pd_nc-Ni₃C在相对于标准氢电极（RHE）+0.27 V的电位下开始反应，且在?0.3 V时对氨气（NH₃）的法拉第效率达到98%。在阳极，Pd_nc-Ni₃C在0.04 V的较低电位下高效氧化甲醛，并具有宽广的氧化窗口（0–1.2 V）和高电流密度（最高可达910 mA cm^–2），优于以往报道的铜基和镍基系统。差分电化学质谱揭示了一种此前未被发现的氢气生成过程中的分子间耦合机制，加深了对甲醛单电子氧化反应机制的理解。通过耦合硝酸盐还原和甲醛氧化过程，开发出了一种高性能的“甲醛–硝酸盐”原电池，其开路电压（OCV）为0.88 V，峰值功率密度为7.4 mW cm^–2。这一基于镍的催化剂系统能够同时将工业废弃物转化为绿色能源载体（氢气、氨气）和增值化学品（甲酸盐），同时产生电能，从而带来环境和经济效益。