在基于三维过渡金属的催化剂上平衡活性氢和亚硝酸盐中间体的吸附，以提高氨生产的效率

硝酸电还原制氨的关键在于平衡活性氢与亚硝酸盐中间体的生成，通过理论计算筛选出Ni、Fe、Co、Cu等催化剂。Co@C催化剂表现出≈100%的高电流效率及19874 μg h?1 cm?2的氨产率，原位分析显示Co纳米颗粒转化为Co(OH)?纳米片，抑制H*和NO?*副产物，并在Zn-NO3?电池中实现160小时优异稳定性。

　　

摘要

硝酸盐电还原（NO₃RR）是一种绿色且高效的氨生产方法，但面临诸多挑战，主要包括较低的法拉第效率（FE）和产率。这些问题的产生是由于在NO₃RR过程中活性氢（H*）和亚硝酸盐中间体（NO₂*）的生成之间存在难以平衡的关系。首先通过理论计算研究了H*与NO₂*中间体之间的平衡对不同金属纳米颗粒氨生成的影响，随后根据计算结果合成了四种代表性的金属（Ni、Fe、Co、Cu）催化剂。在四种催化剂中，Co@C催化剂表现出最佳的NO₃RR性能：在宽电压范围内法拉第效率高达约100%，氨产率为19874 μg h^?1 cm^?2，并且具有优异的长期稳定性。原位拉曼光谱和电子显微镜分析表明，在电催化过程中钴颗粒会转化为氢氧化钴，从而提高了氨的选择性，并抑制了氢气和亚硝酸盐的生成。更重要的是，Zn–NO₃^–电池能够连续运行160小时，显示出卓越的稳定性。本研究不仅阐明了H*和NO₃H*中间体对氨生成过程中NO₃RR性能的影响，还为高效氨生产催化剂和Zn–NO₃^–电池的设计提供了有益的见解。

图形摘要

理论计算与电化学实验相结合表明，H*与NO₃H*之间的平衡对于3d过渡金属中的氨生成至关重要。实验结果表明，Co@C催化剂在硝酸盐电还原过程中表现出优异的活性和稳定性。原位拉曼光谱显示钴颗粒在电还原过程中转化为Co(OH)₂纳米片，而Co@C正极在Zn–NO₃^–电池中表现出极佳的稳定性。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。