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兰州交大褚克教授课题组Appl. Catal. B：电催化固氮新进展

邃瞳科学云

2022-06-24

导读：本文设计了一种MnO2纳米花负载Rh单原子催化剂(Rh1/MnO2)，其在9 m K2SO4的盐包水电解液中，表现出271.8 μg h−1 mg−1的NH3产率，以及73.3%的法拉第效率。

第一作者：沈鹏、李晓甜

通讯作者：褚克

单位：兰州交通大学

研究背景

氨（NH₃）在国民经济中发挥着十分重要的作用。用于工业合成氨的Haber-bosch工艺需要高温高压的反应条件，导致大量的能源消耗和碳排放。在当前 “双碳”政策下，具有零碳排放特性的电催化氮还原（NRR）合成氨技术极具发展前景，而其中NRR催化剂在N₂的吸附和加氢反应中起关键作用。然而迄今为止，大多数报道NRR催化剂的NH₃产率（<100 μg h⁻¹mg⁻¹）和法拉第效率（<20%）远不能满足实际使用要求。

工作介绍

近日，来自兰州交通大学的褚克教授课题组在《Applied Catalysis B：Environmental》上发表了题为“Ultra-efficient N₂ electroreduction achieved over a rhodium single-atom catalyst (Rh₁/MnO₂) in water-in-salt electrolyte”的研究文章。本文设计了一种MnO₂纳米花负载Rh单原子催化剂(Rh₁/MnO₂)，其在 9 m K₂SO₄的盐包水电解液中，表现出271.8 μg h⁻¹ mg⁻¹的NH₃产率，以及73.3%的法拉第效率。进一步利用分子动力学模拟、DFT计算和实验分析，揭示了Rh₁/MnO₂在K₂SO₄盐包水电解液中的NRR机理。

图文解析

要点一：Rh₁/MnO₂的设计理念是基于Rh位于NRR性能理论预测火山图的顶部，以及单原子催化剂最大的原子利用效率。此外，金属氧化物表面的富氧层可以很好地固定单原子，特别是层状氧化物(δ-MnO₂)。

要点二：DFT计算表明负载在MnO₂基底表面的Rh单原子可有效吸附和活化N₂，但其同时具有较强的析氢反应，不利于NRR选择性。分子动力学模拟表明K₂SO₄盐包水电解液可有效抑制Rh₁/MnO₂表面的析氢反应，且理论最优浓度为 9 m (mol kg^-1)。

要点三：电化学测试表明，Rh₁/MnO₂催化剂在 9 m K₂SO₄中表现出271.8 μg h⁻¹mg⁻¹，73.3%的超高NRR性能，远优于报道值。

图1. Rh₁/MnO₂催化剂的NRR/HER性能的DFT理论预测，以及Rh₁/MnO₂催化剂在K₂SO₄盐包水电解液中NRR/HER行为的分子动力学模拟

图2. Rh₁/MnO₂催化剂的形貌结构表征

图3. Rh₁/MnO₂催化剂在K₂SO₄盐包水电解液中的NRR性能

通讯作者介绍

褚克，兰州交通大学材料学院教授，目前主要研究方向：电化学合成氨。以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Energy Mater, Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B, Small等知名期刊发表SCI论文110余篇，总被引用7000余次(H-index: 49), 先后有30余篇论文入选ESI高被引/热点论文，申请专利30余件(授权23件)。

文章链接

Peng Shen, Xiaotian Li, Yaojing Luo, Nana Zhang, Xiaolin Zhao, Ke Chu*, Ultra-efficient N₂ electroreduction achieved over a rhodium single-atom catalyst (Rh₁/MnO₂) in water-in-salt electrolyte, Appl. Catal. B, 316 (2022) 121651. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121651.

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