兰州交通大学褚克ACS Catal.：Pd金属烯负载W单原子用于级联电催化NO合成氨

第一作者：陈凯，王福州

通讯作者：褚克

单位：兰州交通大学

研究背景

氨（NH₃）是氮肥生产的重要原料，同时也是理想的氢能的储能载体。目前通过Haber-Bosch技术进行的大规模氨生产存在高CO₂排放和高能耗的问题。电化学NO还原合成NH₃（NORR）可以在实现NO污染处理的同时，实现NH₃的绿色合成。然而，NORR是一个复杂的五电子转移过程，涉及多个中间体的生成，并受到竞争性析氢反应（HER）的影响。因此，迫切需要探索高活性和选择性的NORR催化剂。单原子催化剂（SACs）由于可调控的配位环境和最大化的原子利用率而在电催化反应中广泛应用。其中，钨单原子催化剂（W-SACs）由于其独立的W原子可作为有效的反馈给体中心，极化氮氧化物分子并促进选择性生成NH₃，在电催化固氮合成NH₃反应中具有巨大的潜力。金属烯是一种新兴的二维纳米材料，由于其独特的石墨烯状金属结构和优良的载流子迁移率而在电催化反应中引起了越来越多的关注。最近的研究利用金属烯作为基底来固定金属单原子，所得到的SACs表现出卓越的电催化性能，这归因于金属单原子和金属烯基底的不同活性金属中心，能够协同调节各种反应物种的结合能，以提高催化剂的活性和选择性。此外，金属单原子和金属烯基底之间形成的合金键赋予了其高催化稳定性。因此，金属烯锚定的W-SACs有望成为高效且稳定的NORR催化剂。

工作介绍

近日，来自兰州交通大学的褚克教授课题组在《ACS Catalysis》上发表了题为“Atomically Dispersed W₁−O₃ Bonded on Pd Metallene for Cascade NO Electroreduction to NH ₃” 的研究文章。文章证明了在Pd金属烯上原子分散W（W₁Pd）可以作为一种高效稳定的NORR催化剂。同步辐射表征揭示了W单原子存在于与Pd金属烯上结合的W₁−O₃基团。原位光谱测试和理论计算揭示了W₁−O₃位点和Pd金属烯之间的协同串联机制，这一机制极大地促进了W₁Pd上的NORR过程。其中，NO的活化和质子化发生在W₁−O₃位点上，而Pd金属烯则解离H₂O并提供所需的质子用于NO的质子化生成NH₃。得益于这一机制，W₁Pd在流动电池中展示出758.5 μmol h^{− 1 cm −2}的NH₃产率和91.3%的NH₃法拉第效率（在H型电池中为272.1 μmol h^{− 1 cm −2}和93.7%），这一性能几乎在所有已报道的NORR催化剂中表现最高。

图文解析

文章链接

K. Chen, F. Wang, X. Lu, Y. Li, K. Chu, Atomically Dispersed W₁–O₃ Bonded on Pd Metallene for Cascade NO Electroreduction to NH₃, ACS Catal., (2023) 9550-9557.  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal .3c 01963.

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