济南大学周伟家教授、余加源教授，ACB：新型电解池，资源化回收双污染物- 大数跨境

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济南大学周伟家教授、余加源教授，ACB：新型电解池，资源化回收双污染物

科学材料站

2022-03-11

导读：该工作利用激光粗化处理过的铁片作为前驱体成功制备了氮掺杂碳纳米管包裹碳化铁（Fe3C@N-CNTs/IF）作为电催化剂

文章信息

氮掺杂碳纳米管包覆碳化铁电极实现对硝酸盐和硫化氢的电催化回收利用

第一作者：郁万强

通讯作者：周伟家*，余加源*

通讯单位：济南大学

研究背景

传统的氨合成方法存在高能耗、高污染以及反应条件苛刻的缺点。可在生能源驱动的电化学人工氮循环由于具有反应条件温和且绿色清洁的特点引起了人们的关注。其中，利用水体中的硝酸根作为氮源，通过电化学方式将其高效的转化为氨，被认为是一种极具发展潜力的氨合成替代方案之一。

开发高效的电催化剂是提高硝酸根还原为氨活性和选择性的关键。此外，由于阳极发生的析氧反应动力学缓慢且产物附加值较低，使用其他高价值的反应替代析氧反应可能是一种有效的解决方案。基于此，本工作开发了一种新型电解池，利用自支撑的Fe₃C@N-CNTs双功能电极实现了阴极硝酸根还原制氨和阳极氧化硫化氢制硫的双污染物升级回收。

文章简介

在这里，来自济南大学的周伟家教授和余加源教授课题组，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Electrocatalytic Upcycling of Nitrate and Hydrogen Sulfide Via a Nitrogen-doped Carbon Nanotubes Encapsulated Iron Carbide Electrode”的研究工作。

该工作利用激光粗化处理过的铁片作为前驱体成功制备了氮掺杂碳纳米管包裹碳化铁（Fe₃C@N-CNTs/IF）作为电催化剂，可以同时实现硝酸根电化学还原制氨以及硫化氢的电化学氧化制硫。

图1. 氮掺杂碳纳米管包裹的碳化铁电极的制备示意图

本文要点

要点一：激光辅助制备氮掺杂碳纳米管包裹碳化铁电极

未经过激光处理的光滑铁片不利于碳纳米管的生长，研究发现激光处理过的区域更容易形成包裹了碳化铁纳米颗粒的氮掺杂碳纳米管，结合FESEM，XRD，HRTEM和EDS证实了Fe₃C@N-CNTs/IF的成功合成。

图2. SEM，XRD，TEM和EDS对催化剂的结构表征

要点二：优异的电催化硝酸根还原产氨性能及稳定性

合成的Fe₃C@N-CNTs/IF表现出优异的硝酸根还原产氨性能，其中在含有0.5 M Na₂SO₄和200 ppm NO₃⁻-N的电解液中，可以实现0.922 mg h⁻¹ cm⁻²的NH₃产率以及97.9%的法拉第效率。此外该催化剂在不同NO₃⁻浓度的电解液中均表现出稳定的电催化硝酸根还原性能。在多次循环后催化剂性能几乎没有衰减证明电极具有较好的循环稳定性。

图3. Fe₃C@N-CNTs/IF的电催化硝酸根还原性能测试

要点三：催化剂活性来源机理研究

通过对比实验并结合DFT计算，分别对比了N-C，Fe₃C@C以及Fe₃C@N-C的电化学性能、差分电荷和还原过程各中间体的吸附自由能，结果表明Fe₃C与N-C的相互作用能够调节催化剂的电子结构，进而优化催化剂对硝酸根及还原反应中间体的吸附。同时，通过对比碳壳中含氮量和不同氮类型的Fe₃C@N-C催化性能和吸附自由能，证明吡啶氮最有利于提高硝酸根还原性能。

图4. N-C，Fe₃C@C以及Fe₃C@N-C的电化学硝酸根还原以及DFT计算结果对比

图5. 氮掺杂量以及种类组成不同的Fe₃C@N-C的电化学硝酸根还原以及DFT计算结果对比

要点四：优异的硫化氢氧化性能及新型电解池构建

合成的Fe₃C@N-CNTs/IF表现出优异的硫化氢氧化性能，在100 mA cm^-2的电流密度下可以实现33.76 mg h^-1 cm^-2的硫产率。此外，结合实际废水处理情况，利用激光的加工能力，制备了多孔的Fe₃C@N-CNTs/IF作为双功能电极，用于处理流动废水并实现阴极的硝酸根还原制氨以及阳极的硫化氢氧化制硫的耦合，该反应体系可以有效降低电解池的能耗。

图6. Fe₃C@N-C的电化学硫化氢氧化性能测试，多孔Fe₃C@N-CNTs/IF电极表征以及NIRR和SOR耦合体系性能测试

文章链接

Electrocatalytic Upcycling of Nitrate and Hydrogen Sulfide Via a Nitrogen-doped Carbon Nanotubes Encapsulated Iron Carbide Electrode

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121291

通讯作者简介

周伟家 教授济南大学前沿交叉科学研究院副院长，教授，博士生导师，学术带头人。

主要从事电催化和微纳器件研究，在电催化剂催化位点调控和全解水系统优化方面取得一系列研究成果，以第一或通讯作者在Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等期刊发表SCI收录论文90余篇，被他引9126次，H因子56，中国百篇最具影响力国际学术论文1篇，ESI高被引用论文12篇；授权发明专利10余项；主持国家优秀青年基金（2020），山东省杰出青年基金（2021），山东省泰山学者青年专家计划（2019）等国家省部级项目12项。2019年获得山东省自然科学一等奖（第三位）。

Email: ifc_zhouwj@ujn.edu.cn

余加源 教授济南大学前沿交叉科学研究院教授，硕士生导师。

主要研究集中在碳基材料应用于构筑电解水产氢耦合污水处理新体系，解决环境与能源交叉融合过程中的关键科学与技术问题。以（共同）第一作者/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Nano Energy、Appl. Catal. B: Environ.、Nano-Micro Lett.等国际著名学术期刊发表SCI论文15余篇。

Email: ifc_yujy@ujn.edu.cn

第一作者简介

郁万强

济南大学前沿交叉科学研究院，2019级硕士研究生。研究主要集中在过渡金属材料应用于构筑电解硝酸根产氨耦合污水处理体系。以第一或共同第一作者在Appl. Catal. B: Environ.和Chin. Chem. Lett.发表SCI论文3篇。

济南大学前沿交叉科学研究院介绍

济南大学前沿交叉科学研究院以刘宏教授为首席科学家，以学科交叉与学科融合为研究特色，以新型医药和现代能源核心技术为研发目标，在生物传感与再生医学、可再生能源转化高效利用和信息材料等相关领域开展基础和应用基础研究。

形成了骨干成员30余名的高水平的交叉学科研究团队，团队成员的专业构成有材料学、化学、化工、能源、生物、物理微电子等，其中国家杰青、国家优青、泰山学者、山东省杰青、山东省优青等青年人才10余名。研究院已经建成了包括场发射扫描显微镜、XRD、共聚焦扫描显微镜、拉曼光谱仪等测试表征设备和各种沉积设备、材料制备设备及微加工设备等在内的高水平研究测试平台。新能源材料与传感器件团队以周伟家教授为带头人，利用微纳加工、激光合成和电化学三大技术，在能源与传感两大方向开展应用基础研究。

课题组招聘

团队招收化学、化工、物理学、材料学及相近专业研究生及博士生。

团队网址：https://www.x-mol.com/groups/zhou_weijia

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