铜基纳米颗粒增强锌硝酸盐电池性能：多功能能源转换与污染物去除新策略

本研究通过CO2激光辐照技术将MOF-199转化为石墨烯负载的Cuδ+/CuOX纳米颗粒（Cuδ+/LIG-P35），并作为阴极构建锌-硝酸盐（Zn-NO3?）电池，实现高效能源供应（功率密度25.3 mW cm?2）、氨合成（产率7.9 mg h?1 mgcat?1，法拉第效率94%）及污染物降解。该工作为清洁能源与可持续氨生产提供了创新解决方案。

　　

引言

锌（Zn）基水系电池因其高理论能量密度、安全性和丰富的锌资源备受关注。与传统锌-空气电池相比，锌-硝酸盐（Zn-NO₃^?）电池不仅能发电，还能将工业废水中的硝酸盐（NO₃^?）转化为有价值的氨（NH₃），兼具环保与资源化优势。铜（Cu）基催化剂因其独特的3d电子轨道，对NO₃^?的吸附和还原表现出卓越活性，但现有材料的功率密度和稳定性仍待提升。

催化剂设计与合成

研究团队采用CO₂激光快速热解技术，将铜基MOF（HKUST-1）转化为石墨烯负载的富Cu^δ+（0 < δ < 2）纳米颗粒（Cu^δ+/LIG-P35）。通过调控激光功率（35%输出），材料形成13 nm的均匀纳米颗粒，且Cu与石墨烯的适度相互作用稳定了电子缺陷态Cu^δ+，增强了NO₃^?吸附。X射线吸收精细结构（XAFS）证实Cu平均价态介于0至+1之间，而原位拉曼光谱揭示了NO₃^?还原过程中?NH₂O中间体的关键作用。

电化学性能

在1 M KOH和32.3 mM NO₃^?的电解液中，Cu^δ+/LIG-P35表现出优异的NO₃RR活性：NH₃产率达7.9 mg h^?1 mg_cat^?1，法拉第效率（FE_NH3）达94%。差分电化学质谱（DEMS）检测到NH₂O中间体，表明反应路径为?NO→?NH₂O→?NH₃。此外，该催化剂在11次循环后仍保持93%以上的FE_NH3，且能将100 ppm NO₃^?在2小时内降至安全标准以下。

锌-硝酸盐电池应用

基于Cu^δ+/LIG-P35的Zn-NO₃^?电池实现了1.53 V的开路电压和25.3 mW cm^?2的峰值功率密度，优于多数报道的催化剂。在10 mA cm^?2电流密度下，电池能量密度达679.5 mWh g_Zn^?1，并稳定运行46小时。

结论

该研究不仅提供了一种高效Zn-NO₃^?电池阴极材料，还深化了对金属纳米颗粒-石墨烯界面相互作用的理解，为清洁能源和环境污染治理提供了新思路。