朗缪尔-欣谢尔伍德（Langmuir-Hinshelwood）反应途径使得在电流密度为1 A cm?2的条件下，硝酸盐向氨的电还原过程能够稳定进行1000小时

《Nature Communications》：Langmuir-Hinshelwood pathway enables 1000-h stable nitrate-to-ammonia electroreduction at 1?A?cm?2

　　

摘要

要在高电流密度下实现稳定且选择性的电催化硝酸盐还原（NO₃RR），需要深入理解氢化反应的机理。我们发现，将钴与钌（RuCo）合金化后，氢化反应的主要途径从涉及溶剂化质子的Eley-Rideal（E-R）机理转变为利用吸附质子的Langmuir-Hinshelwood（L-H）机理。通过微动力学建模、原位光谱分析和密度泛函理论（DFT）计算发现，纯钴上的E-R机理会导致氢化反应速率缓慢且法拉第效率较低。相比之下，RuCo上的L-H机理能够维持较高的氢覆盖度（θ_H ≈ 0.45），从而实现高效的氢原子转移，进而实现高速率和深度的氢化反应。基于这一机理认识，我们获得了135.53 ± 1.18 mg h^-1 cm^-2的氨产率，法拉第效率达到100%，并且在1 A cm?2的电流密度下表现出优异的1000小时稳定性。这项工作为设计在工业相关条件下高效运行的电化学催化剂提供了重要的机理基础。