氨(NH3)被认为是一种有前途的无碳能源载体，但其能源密集型生产过程仍然给全球科学家带来挑战。由香港城市大学(城大)领导的研究小组最近设计了一种双金属合金作为超薄纳米催化剂，可以大大提高从硝酸盐(NO3-)生成氨的电化学性能，为在工业中获得碳中性燃料提供了巨大的潜力。未来。
该研究结果发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)杂志上，标题为“双金属合金纳米结构的原子配位环境工程，用于从硝酸盐中高效电合成氨”。
常用于肥料的氨最近引起了很多关注，因为它可以为燃料电池提供氢源，而且比氢更容易液化和运输。由于其巨大的需求，从受铵化肥污染的废水中升级回收硝酸盐(NO3-)已成为生产有价值的氨并使农业更加可持续的替代方案。
目前，电化学硝酸盐还原反应(NO3RR)被认为是氨合成的一种有前景的解决方案。它主要包括使用金属基电催化剂的脱氧和加氢步骤(即NO3-+9H++8e-➙NH3+3H2O)。
“然而，NO3RR过程中产生的不良副产物和竞争性析氢反应(HER)显然阻碍了氨生产的产率，”该研究的领导者、城大化学系范占西教授说道。
范教授的团队没有像之前的其他研究那样调节电催化剂的大小或尺寸，而是专注于改善活性位点，即底物分子在电催化剂表面结合并发生催化作用。
“钌(Ru)是一种作为NO3RR电催化剂的新兴材料，但它也存在有利于HER的问题，这导致其活性位点被不需要的活性氢高度占据，没有足够的面积将硝酸盐还原成氨，”范教授解释道。
为了克服这些挑战，该团队引入了另一种金属——铁(Fe)——来调节活性位点的原子配位环境。通过改变Ru位点的配位环境，优化了Ru的电子结构和表面性质，从而优化了它们生产氨的催化活性。为了进一步提高电催化剂的性能，该团队开发了一种一锅合成方法，用于制造超薄纳米片，这些纳米片组装成花状结构，称为RuFe纳米花。
这种新型双金属合金电催化剂具有高度稳定的电子结构，由于互补轨道可以实现有效的电子转移和稳定的价态，这也抑制了竞争性HER并降低了NO3RR的能垒。此外，RuFe纳米花的电化学活性表面位点测量为267.5cm2，远大于Ru纳米片的105cm2，以便发生反应。
值得注意的是，RuFe纳米花表现出更好的电化学性能，具有出色的电荷转移效率(称为法拉第效率(FE))，为92.9%，氨的产率在-0.30和-0.65V时为38.68mgh-1mgcat-1产量几乎是单一Ru纳米片的6.9倍。
“这项研究表明RuFe纳米花在下一代电化学能源系统中具有巨大潜力，”范教授说。“我们相信这项工作可以刺激后续研究调节氨生产金属基催化剂活性位点的原子配位环境，进一步促进可持续的氮循环，以在未来实现无碳能源。”
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