金属配合物来源的碳包覆磷化钴纳米颗粒锚定C3N4上，实现高效的电催化亚硝酸盐还原为氨- 大数跨境

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金属配合物来源的碳包覆磷化钴纳米颗粒锚定C3N4上，实现高效的电催化亚硝酸盐还原为氨

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2026-01-07

导读：金属配合物来源的碳包覆磷化钴纳米颗粒锚定C3N4上，实现高效的电催化亚硝酸盐还原为氨

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文章信息

第一作者：刘燊杰

通讯作者：王传军、白文波、Geoffrey Waterhouse

通讯单位：山东农业大学、中国农业科学院、奥克兰大学

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研究背景

电化学亚硝酸盐还原反应（eNO₂RR）生成氨（NH₃），不仅能够去除水中的NO₂^-污染物能够去除，还为可持续氨合成提供了一种新策略，近年来成为水处理和电催化领域的研究热点。然而，eNO₂RR复杂的反应途径可能导致大量副产物产生，导致法拉达效率低且对NH₃选择性差，且催化剂在催化过程中伴随着活性位点流失等问题。因此，设计和调控NOx中间体的吸附和促进加氢过程，开发稳定高效eNO₂RR催化剂至关重要。

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文章简介

本研究制造了一种异构复合电催化剂，由碳包裹的钴磷化物（CoP@C）纳米颗粒组成，这些颗粒通过单步低温磷化工艺支负载到了氮化碳上。该催化剂在碱性条件下，eNO₂RR在-0.5 V vs. RHE下实现了394.19 h^-1 cm^-2的NH₃生产率和91.17%的法拉第效率。值得注意的是，CoP@C/C₃N₄电极还表现出优异的长期稳定性，在高电流密度条件下连续运行超过300小时且未显著退化。其卓越的电催化性能归功于C₃N₄与碳封装层之间的协同效应，显著增强了界面电荷转移动力学，从而提升催化效率。此外，C₃N₄的二维（2D）片状结构有效锚定并均匀分散了CoP@C纳米颗粒，而碳封装层通过物理屏障效应抑制了CoP活性位点的丧失。这项工作为开发高效金属磷化物催化剂提供了简单合成路径和理论基础，催化剂可应用于电催化亚硝酸盐到氨的合成及其他重要的电催化反应。相关研究成果以“Metal complex-derived carbon-coated cobalt phosphide nanoparticles supported on C₃N₄for efficient electrocatalytic nitrite reduction to ammonia”为题，发表于《Chemical Engineering Journal》。

催化剂合成流程图

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研究要点

要点1：碳包覆磷化钴的简易可控合成

碳包裹TMPs通过低温磷化单步合成，利用金属-希夫碱配合物的原位热转化，简化了碳包裹TMP的制备流程。

要点2：碳层与C₃N₄的协同作用

碳与C₃N₄的协同效应稳定了金属磷化物，引入C₃N₄抑制纳米颗粒聚集并增加比表面积，使催化剂稳定性显著提升，高电流密度下可稳定运行超300 h。

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研究内容

（a， b）不同放大倍率下的CoP@C透射电子显微镜图像;（c） CoP@C的HRTEM图像;（d） CoP@C的EDS元素映射图像;（e， f）不同放大倍率下的CoP@C/C₃N₄透射电镜图像;（g） CoP@C/C₃N₄的HRTEM图像;（h） CoP@C/C₃N₄的EDS元素映射图像;（i） CoP@C/C₃N₄的SAED图像

（a）CoP@C/C₃N₄的XRD谱;（b）CoP@C/C₃N₄的拉曼光谱与对比样品的比较;（c-f）对CoP@C/C₃N₄、CoP@C、Co@C和C₃N₄的高分辨率XPS光谱，包括（c）Co-2p谱、（d）C1s谱、（e）N1s谱和（f）P 2p谱。

（a）在有无NO₂^-溶液中，CoP@C/C₃N₄的LSV曲线;（b）不同材料在1 M NaOH + 0.1 M NO₂^-溶液中，氨产率和法拉第效率;（c-e）在1 M NaOH + 0.1 M NO₂^-溶液中，电解电位为-0.5 V vs. RHE，CoP@C和Co@C的氨产率和法拉第CoP@C效率，共12个循环;（f） 1000次CV循环前后，1M NaOH + 0.1M NO₂^-溶液中CoP@C/C₃N₄的LSV曲线;（g） 1000次CV循环前后，1 M NaOH + 0.1 M NO₂^-溶液中的CoP@C/C₃N₄阻抗;（h）不同材料在1 M NaOH + 0.1 M NO₂^-溶液中的阻抗图，（i）电解液液体15N核磁共振谱。

（a） CoP@C/C₃N₄在1 M NaOH + 0.1 M NO₂^-溶液中，电位为-0.5 V vs. RHE，与添加不同量TBA后的RHE相比，氨产率随时间变化;（b） 1 M NaOH 溶液中不同材料的 EPR 曲线，以及 1 M NaOH + 0.1 M NO₂^-溶液中 CoP@C/C₃N₄在-0.5 V vs.RHE电位下的EPR曲线;（c）在不同电位下，1 M NaOH + 0.1 M NO₂^-溶液中对CoP@C/C₃N₄进行原位红外光谱;（d）使用CoP@C/C₃N₄在1 M NaOH + 0.1 M -NO₂^-溶液中，在-0.5 V vs. RHE的条件下，对不同产物进行原位质谱。

（a） eNO₂RR过程中CoP@C/C₃N₄亚硝酸盐还原途径示意图;（b）CoP@C/C₃N₄、CoP@C和Co@C表面eNO₂RR过程的吉布斯自由能图;（c） CoP@C/C₃N₄、CoP@C和Co@C水电解的吉布斯自由能图;（d-f）CoP@C/C₃N₄、CoP@C和Co@C的态密度（DOS）图。