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李新勇课题组ACB: 界面工程诱导CoMn₂O₄电子离域促进电催化硝酸盐还原产氨

李新勇课题组ACB: 界面工程诱导CoMn₂O₄电子离域促进电催化硝酸盐还原产氨 邃瞳科学云
2022-10-30
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导读:本文探究了CoMn2O4/NC复合材料在中性条件下对硝酸盐还原反应(NO3−RR)的催化性能及反应机理,实现了硝酸盐(NO3−)到氨(NH3)的高性能转化。
第一作者:牛照栋(大连理工大学)
通讯作者:李新勇教授(大连理工大学)
论文DOI10.1016/j.apcatb.2022.122090
图文摘要
成果简介

近日,大连理工大学李新勇教授团队在Applied Catalysis B: Environmental上发表了题为“Interfacial engineering of CoMn2O4/NC induced electronic delocalization boosts electrocatalytic nitrogen oxyanions reduction to ammonia”的研究论文(DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.122090),探究了CoMn2O4/NC复合材料在中性条件下对硝酸盐还原反应(NO3RR)的催化性能及反应机理,实现了硝酸盐(NO3)到氨(NH3)的高性能转化。进一步结合系列原位谱学表征技术和密度泛函理论(DFT)计算联用的策略解析了NO3RR的机理。最后,考察了耦合阳极醇氧化反应(BOR)对阴极产NH3活性的影响

全文速览
氨(NH3)作为一种重要的工业生产原料,被广泛用于化学合成、化肥和潜在能源载体分子(氢含量为17.65%)。目前,其主要依赖能源密集型的Haber-Bosch processHBP)合成,需要消耗大量的能源和产生可观的温室气体。近年来,基于可再生能源驱动的电化学合成氨策略被认为是潜在的获得清洁氨的途径之一。NO3是氮循环的重要载体,具有适当的N=O裂解能(204 kJ mol−1),而且广泛存在于受污染地下水和地表水以及工业废水。因此,电催化NO3RR合成NH3具有重要的环境和能源意义。本文,选择复合材料CoMn2O4/NC作为电催化剂,实现中性电解质中NO3的高效还原合成氨,其产NH3速率和法拉第效率分别为144.5 mmol h−1 g−192.4%−0.7 V vs. RHE),超过了大多数已报道的过渡金属氧化物催化剂。研究人员结合原位电化学RamanDEMSDFT计算,明确了反应中间物种、最终产物和反应路径,提出了基于尖晶石氧化物电化学NO3RRNH3反应机理的界面调控策略,为开发该领域高性能催化剂提供了参考
图文导读

催化剂制备和表征

Fig. 1. (a) Illustration of the preparation of CoMn2O4/NC for electroreduction NO3 to NH3. (b) SEM, (c) TEM and (d) HR-TEM images of CoMn2O4/NC. (e) HAADF-STEM image and (f-j) the corresponding elemental mapping images of C, N, O, Co and Mn, respectively.

材料合成中,采用静电纺丝-碳化-氧化法合成CoMn2O4/NC复合催化剂。SEMTEM结果表明材料具有多通道纤维结构,CoMn2O4NC之间存在清晰的界面;HAADF-STEM结果表明CoMn2O4/NC上各元素均匀分散

Fig. 2. (a) XRD pattern of CoMn2O4/NC. High-resolution XPS spectra of (b) Co 2p and (c) Mn 2p regions of CoMn2O4/NC. DOS of (d) Co 3d, (e) Mn 3d and (f) O 2p for CoMn2O4/NC.

XPS结果表明催化剂中CoMn分别主要占据四面体和八面体位点;DOS结果表明NC物种能够诱导CoMn2O4CoMn3d轨道电荷离域,尤其是Co 3dxz and Mn 3dx2轨道

性能测试

Fig. 3. (a) LSV curves of CoMn2O4/NC, CoMn2O4 and NC in 0.1 M Na2SO4 with and without 0.1 M NO3. The NH3 (b) yield rate and (c) Faradaic efficiency of NO3RR for CoMn2O4/NC, CoMn2O4 and NC at different potentials. (d) The NH3-to-NO2product ratios for different catalysts. (e) The partial current densities of NH3 evolution for different catalysts with 0.1 M NO3. (f) The NH3 yield rate of CoMn2O4/NC detected by UV-Vis and 1H-NMR method at −0.7 V vs. RHE.

Fig. 4. (a) LSV curves of CoMn2O4, CoMn2O4/NC and NC in 0.1 M Na2SO4 with 0.1 M NO2. The NH3 (b) yield rate and (c) Faradaic efficiency of NO2RR for CoMn2O4/NC, CoMn2O4 and NC at different potentials. (d) The partial current densities of NH3evolution for different catalysts with 0.1 M NO2.

电催化还原实验证明,CoMn2O4/NC材料在−0.7 V vs. RHE下,NO3RRNH3产率和法拉第效率分别为144.5 mmol h−1 g−192.4%;其产率是CoMn2O43.87倍(37.3 mmol h−1 g−180.4%

催化机理

Fig. 5. Electrochemical in situ Raman spectra of CoMn2O4/NC for (a and b) NO3RR and (c and d) NO2RR.Charge density difference of *NO3configuration at (e) CoMn2O4/NC and (f) CoMn2O4(Cyan and yellow regions represent negative and positive charges, respectively, with iso-surfaces energy density of 0.002 e Å−3).


Fig. 6. (a) Charge density difference of CoMn2O4/NC. (Cyan and yellow regions represent negative and positive charges, respectively, with iso-surfaces energy density of 0.0004 e Å −3.) (b) In situ DEMS measurements of CoMn2O4/NC for NO3RR. Free energy diagram (U = 0 V and pH = 7) for NO3RR on the substrate of (c) CoMn2O4 and (d) CoMn2O4/NC.

电化学原位RamanDEMS结果表明CoMn2O4/NC的电化学NO3RR过程中,NH3是优势产物,*NO2*NO*NH2O为反应中间体;DFT计算结果表明-NHO路径拥有更优的热力学性能,即*NO3*NO2*NO*NHO*NH2O*NH2OH*NH2*NH3;在CoMn2O4/NC模型中,*NO*NHO为决速步骤(ΔG = +0.42 eV)。差分电荷密度结果证实该界面策略能够诱导CoMn2O4中电荷发生离域,从而优化中间体吸脱附活性,促进NO3NH3的转化

耦合阳极醇氧化反应

Fig. 7. (a) LSV curves of NO2RR coupling OER and BOR in two-electrode system. (b) The energy consumption savings of NO2RR||BOR at different current densities. (c) NH3 yield rate and Faradaic efficiency at 1.75 V for 2 h in two-electrode system. (d) The anode corresponding products yield rate and Faradaic efficiency of NO2RR||BOR.

耦合阳极BOR替代反应惰性的OER能够显著降低体系过电位(276 mV30 mA cm−2),同时获得高附加值的阳极产物。
小结

这项工作报道了一种CoMn2O4/NC复合电催化材料的制备方法,并基于界面诱导策略从电子层面深入剖析了该复合催化剂获得较高电催化NO3RRNH3活性的机理。研究通过电化学性能测试、原位谱学(产物和中间物种鉴定)和DFT计算等手段揭示了中性电解液中电催化NO3RRNH3的潜在路径。该工作为设计和应用新型电催化材料去除水体NO3污染物并获得高附加值NH3提供了参考


备注:
Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2022, Elsevier Inc.
参考文献:
Z. Niu, S. Fan, X. Li, J. Duan, A. Chen, Interfacial Engineering of CoMn2O4/NC Induced Electronic Delocalization Boosts Electrocatalytic Nitrogen Oxyanions Reduction to Ammonia, Applied Catalysis B: Environmental, (2022)
文章链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337322010311#sec0100


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