双金属PtNi电催化剂在碱性介质中实现高效氨氧化反应：超低过电位与优异稳定性研究

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Bimetallic PtNi catalyst for electrochemical ammonia oxidation reaction

本研究针对氨氧化反应(AOR)动力学缓慢和催化剂易中毒等关键难题，开发了通过一步电沉积法在钛网基底上构建的双金属PtNi催化剂。该催化剂在碱性介质中表现出卓越的AOR活性和稳定性，实现了0.41 V的超低起始过电位和162.2 mA cm?2的峰值电流密度。24小时脉冲电解实现了96%的氨去除率，500次循环后电流密度仅衰减25.8%，为直接氨燃料电池和废水处理提供了高效稳定的电极材料。

　　

随着全球能源需求持续增长和化石燃料燃烧导致的CO₂排放问题日益严峻，开发清洁可再生能源已成为当务之急。然而，风能、太阳能等可再生能源存在间歇性特点，迫切需要发展可靠的能源转换与存储技术。在这一背景下，氢能因其高能量密度和环境友好特性被视为理想能源载体，但氢气的储存、运输和安全问题严重制约了其商业化应用。

氨(NH₃)作为一种潜在的氢载体，因其易于液化和安全运输的优势受到广泛关注。更重要的是，氨可以直接在直接氨燃料电池(DAFCs)中使用，通过电化学氨氧化反应(AOR)产生氮气和水，实现高效能量转换。然而，AOR存在的缓慢动力学和催化剂表面易被中间产物毒化等问题，严重限制了DAFCs的商业化进程。

与此同时，工业化进程加速导致含氮污染物大量排放，氨氮废水对水体生态系统造成严重威胁，引发水体富营养化等环境问题。因此，开发高效的AOR催化剂不仅对能源领域具有重要意义，也为废水处理提供了新思路。

针对这些挑战，美国德克萨斯州理工大学可持续性与循环经济研究所的Pravin Babar、Kingsley Azuka和Gerardine G. Botte研究团队在《Innovative Food Science》上发表了一项创新研究，他们通过简单的循环伏安法(CV)沉积技术，成功在钛网基底上制备了双金属PtNi催化剂，为AOR性能提升提供了新方案。

关键技术方法

研究采用循环伏安法(CV)在钛网基底上直接沉积PtNi双金属纳米颗粒，通过优化沉积周期(50-500次)确定最佳制备条件。利用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征材料形貌，通过电化学阻抗谱(EIS)和双电层电容测量评估电化学性能，采用脉冲电解技术进行长期稳定性测试，并使用靛酚蓝法量化氨浓度变化。

2.1. PtNi@Ti mesh的形貌和结构分析

通过XRD分析确认PtNi@Ti Mesh具有面心立方(FCC)结构，与纯Pt相比衍射峰向低角度偏移，表明Ni成功掺入Pt晶格形成合金。SEM显示400次沉积循环后形成均匀分布的致密颗粒，粗糙表面提供了更多活性位点。TEM和HR-TEM进一步证实了材料的结晶性和纳米结构，元素 mapping显示Pt和Ni均匀分布。

2.2. AOR的电催化活性

电化学测试表明，PtNi@Ti Mesh在1 M KOH + 1 M NH₄OH电解液中表现出优异的AOR性能，起始电位低至0.41 V vs. RHE，峰值电流密度达到162.2 mA cm^?2，显著优于Pt@Ti Mesh和PtNi-CP@Ti Mesh。氨浓度实验显示，随着NH₄OH浓度从0.1 M增加至1 M，氧化峰电流逐渐增强，表明反应动力学得到改善。

稳定性与机理研究

经过500次CV循环测试后，PtNi@Ti Mesh仅出现25.8%的电流密度衰减，表现出卓越的稳定性。24小时脉冲电解实现了96%的氨去除率，证明该催化剂具有实际应用潜力。电化学活性面积(ECSA)分析显示PtNi@Ti Mesh的双电层电容为1.25 mF cm^?2，高于对比样品。EIS分析表明该电极具有最低的电荷转移电阻(1.29 Ω)，有利于快速反应动力学。

研究表明，PtNi@Ti Mesh的AOR过程主要遵循Gerischer-Maurer(G-M)机制，其中吸附的NH₃经过逐步脱氢形成NH₂，随后中间体偶联最终生成N₂。Pt与Ni之间的协同效应有效抑制了中间产物的积累，Ni位点促进OH^-插层，进一步加速了氨氧化过程。

研究结论与意义

该研究成功开发了一种高效稳定的双金属PtNi电催化剂，通过简单的电沉积方法在钛网基底上实现了优异的AOR性能。催化剂表现出超低起始电位、高电流密度和卓越的长期稳定性，其性能提升归因于无粘结剂沉积、大电化学活性面积、强氨吸附能力和高效电子传输特性。

这项工作的重要意义在于为设计高效双金属电催化剂提供了新思路，不仅推动了直接氨燃料电池的发展，也为氨氮废水处理提供了技术支撑。脉冲电解技术的应用进一步证明了该催化剂在实际操作中的可行性，为未来能源转换和环境污染治理领域的应用奠定了基础。