高熵合金催化剂的相变调控实现锌-亚硝酸盐电池高效产氨及污染物协同处理

本研究针对电催化亚硝酸盐还原(eNO2R)过程中催化剂成本高、选择性差等难题，通过高熵普鲁士蓝类似物(HEPBA)的相变调控，开发出FeCoNiCuZn-HEA催化剂，实现88.9%的NH4+法拉第效率，并构建了兼具发电、产氨和污染物去除功能的锌-亚硝酸盐电池，为绿色氨生产提供了新范式。

　　

氨(NH₃)作为农业和能源领域的关键化学品，目前主要依赖高能耗的哈伯-博世法生产，亟需开发绿色合成新途径。电催化亚硝酸盐还原(eNO₂R)虽能在常温下将污染物NO₂^-转化为NH₃，但面临多电子转移路径复杂、副产物多等挑战。韩国基础科学研究所团队创新性地通过高熵材料(HEMs)的相变工程，构建了FeCoNiCuZn体系催化剂，相关成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。

研究采用三步法：1)共沉淀法制备FeCoNiCuZn-HEPBA前驱体；2)煅烧转化为尖晶石结构高熵氧化物(HEO)；3)脉冲激光液相辐照(PLIL)技术制备高熵合金(HEA)。通过同步辐射、原位光谱等技术揭示了材料演化机制。

【HEM相图案与结构分析】显示HEPBA的立方框架中CN^-桥联多种3d金属，煅烧后形成单相尖晶石HEO，PLIL处理使金属原子均匀分布形成面心立方HEA。【电化学性能】表明HEA在-1.0 V vs Ag/AgCl时NH₄⁺产率达894.3 μg h^-1 cm^-2，优于HEPBA和HEO，归因于晶格畸变产生的高熵稳定效应。【机理研究】通过DFT计算证实HEA表面均匀活性位点通过NO和NOH₂中间体完成NO₂^-→NH₄⁺转化。【锌电池应用】组装的Zn-NO₂^-电池实现1.4 V开路电压和2.14 mW cm^-2功率密度。

该研究开创性地将高熵材料相变策略应用于eNO₂R领域，不仅阐明了多金属协同催化机制，更构建了"发电-治污-产氨"三位一体的新型电化学系统，为分布式能源和废水处理提供了创新解决方案。PLIL技术的应用也为高熵材料制备提供了新思路，推动绿色催化与能源存储的融合发展。