AFM: 单原子催化剂上选择性硝酸盐-氨电还原机理

雨辰

2020-12-22

选择性硝酸盐到氨的电化学转化是解决硝酸盐污染的有效途径，并且是低温氨合成的一种有吸引力的策略。然而，目前对硝酸盐电还原(NO3RR)的研究主要集中在金属基催化剂上，由于对其催化机理的认识不足，这方面的研究仍具有挑战性。

有鉴于此，武汉大学郭宇铮教授和剑桥大学Zhaofu Zhang等人，以石墨碳氮化物(g‐CN)负载的单过渡金属原子为例，首次利用密度泛函理论计算论证了单原子催化剂(SACs)的NO₃RR可行性。

本文要点

1）以石墨碳氮化物(g-CN)负载的单一过渡金属原子催化剂(从Ti到Au)为代表，通过第一性原理计算对SACs的NO₃RR性能进行了较为全面的研究。将NO³⁻转化为NH₃的机制归纳为O-end, O-side, N-end, N-side, and NO-dimer途径。

2）建立了火山图和等高线图来解释TM/g-CN上的活性趋势。从中筛选出Ti/g-CN和Zr/g-CN具有良好的NO₃RR活性和选择性。结果表明，在Ti/g‐CN和Zr/g‐CN上实现对NH₃的高效NO₃RR，其极限电位分别为−0.39和−0.41 V。

3）此外，还探讨了Ti/g-CN和Zr/g-CN的NO₃RR活性来源和实验可行性。在Ti/g‐CN和Zr/g‐CN上生成副产物NO₂, NO, N₂O和N₂的过程中，观察到相当大的能垒，从而保证了它们的高选择性。

总之，该工作为SACs的应用提供了一条新的途径，为NO₃RR的开发奠定了基础。

参考文献：

Huan Niu et al. Theoretical Insights into the Mechanism of Selective Nitrate‐to‐Ammonia Electroreduction on Single‐Atom Catalysts. Advanced Functional Materials, 2020

DOI: 10.1002/adfm.202008533

https://doi.org/10.1002/adfm.202008533