氢溢流介导亚硝酸盐氢化：氢氧化铜纳米线负载铂纳米颗粒实现超低电位电合成氨的突破

氨（NH3）传统合成耗能大，亚硝酸盐还原反应（NO2RR）合成氨有潜力但面临挑战。研究人员制备 Pt-Cu (OH)2/CF 电催化剂，实现超低电位合成氨，还降低能耗。为氨合成提供新策略。

　　氨，作为现代农业和工业活动的关键化学品，在人们的生产生活中扮演着不可或缺的角色。然而，其传统的制备方法 —— 哈伯 - 博施法（Haber-Bosch process）却有着诸多弊端。该方法需要在 400 - 450^oC 的高温以及 15 - 25MPa 的高压下进行，巨大的能源消耗使得全球约 1.5% 的能源都被其 “吞噬”。不仅如此，这一过程还带来了沉重的环境负担，因此，寻找更可持续、高效的氨生产技术迫在眉睫。

近年来，在环境友好的常温条件下进行的电催化还原含氮小分子反应受到了广泛关注。与氮气还原反应（NRR）相比，亚硝酸盐还原反应（NO₂RR）在合成氨方面展现出了更大的潜力。氮气（N₂）的溶解度有限，而且其 N≡N 三键的解离能高达 941kJ/mol，使得 NRR 的反应难度较大。而亚硝酸盐（NO₂^-）不仅溶解度更高，其 N=O 键的键能仅为 236kJ/mol，反应相对更容易进行。此外，亚硝酸盐还是工农业生产过程中的常见污染物，对人类健康存在严重威胁。不过，NO₂RR 涉及复杂的六电子耦合七质子过程，反应动力学缓慢，还容易产生副产物，这些问题严重制约了其在氨合成中的应用。

为了解决这些难题，来自未知研究机构的研究人员开展了深入研究。他们致力于设计一种高效的电催化剂，以促进亚硝酸盐的氢化反应，实现高效的氨电合成。最终，研究人员成功制备出基于铂（Pt）纳米颗粒修饰氢氧化铜（Cu (OH)₂）纳米线的高效电催化剂（Pt-Cu (OH)₂/CF）。该研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，为氨合成领域带来了新的曙光。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。首先，通过电沉积法在泡沫铜（CF）上制备 Cu (OH)₂纳米线，具体操作是将处理后的 CF 浸入 1M KOH 溶液，采用计时电位法，在 0.2A 恒定电流下反应 1200s。随后，利用氧化还原反应，将制备好的 Cu (OH)₂/CF 浸入 PtCl₄溶液中沉积 Pt 纳米颗粒。

在研究结果方面：

• 电催化剂的合成与性能：Pt-Cu(OH)₂/CF 电催化剂在亚硝酸盐还原反应（NO₂RR）中表现卓越。在相对于可逆氢电极（RHE）为 0V 的超低电位下，其氨产率可达 5.3mg?cm^-2 h^-1 ，法拉第效率（FE）高达 95.5%。这一结果表明，该电催化剂能够在极低的电位下高效地将亚硝酸盐转化为氨。
• 反应机理探究：研究发现，在 Pt 位点上通过水分解产生的 * H 物种会发生氢溢流，转移到相邻的 Cu 位点，进而对吸附的 NO₂^-物种进行氢化反应。这种氢溢流机制为亚硝酸盐的氢化提供了新的路径，解释了该电催化剂高效性能的内在原因。
• 双功能电催化剂与耦合体系：Pt-Cu(OH)₂/CF 在耦合的两电极体系中表现出双功能特性。在阴极，它通过 NO₂RR 促进氨的合成；在阳极，它能够催化乙二醇氧化反应（EGOR）生成甲酸盐。该耦合体系在电流密度为 100mA?cm^-2时，实现了 1.182V 的超低电池电压，能耗显著降低了 21.2%。这一成果不仅提高了氨合成的效率，还实现了能源的高效利用。

在研究结论和讨论部分，该研究成功开发出 Pt-Cu (OH)₂/CF 这一高效电催化剂，通过 NO₂RR 与 EGOR 的协同耦合，实现了节能的氨合成。其优异的催化活性得益于 Pt 位点到 Cu (OH)₂位点的高效氢溢流。这一研究成果为亚硝酸盐氢化反应提供了新的见解，通过氢溢流机制为氨的电合成开辟了新途径。同时，将阴极 NO₂RR 与热力学有利的阳极反应耦合，为高效节能的氨合成提供了极具前景的策略。这一研究成果有望推动氨合成领域的技术变革，在降低能源消耗、减少环境污染的同时，提高氨的生产效率，对现代农业和工业的可持续发展具有重要意义。