bevictor伟德官网2023年4月11日電 硝酸鹽是世界上最廣泛的水中污染物之一，嚴重威脅飲用水安全和人體健康。采用電化學方法将硝酸鹽轉化為氨，不僅可以減少硝酸鹽污染，還可以産生有價值的氨。這為恢複全球氮循環平衡提供了一條可持續的途徑，并在可持續氨合成的環境和經濟影響方面提供了技術支撐。然而，開發具有低成本、高活性和選擇性優勢的電極材料是該領域研究的關鍵挑戰。bevictor伟德官网李淼副教授課題組針對碳活性位點與反應物分子較弱的吸附能，削弱反應動力學進而影響去除效率和選擇性從而導緻難以實用的瓶頸問題，創新強化異質界面微觀結構調控理論與方法，通過摻雜氮構建了具有新活性位點的催化劑，激活了鄰近的碳原子，增強了金屬到碳的電子轉移，從而産生了高催化活性，開發了一種金屬有機骨架(MOF)材料衍生的氮摻雜的碳-鐵異質結構（Fe@N10-C）電催化劑，用于電化學硝酸鹽去除和氨能源生産。研究中硝酸鹽去除效率達125.8±0.5mgNgcat-1 h-1，氨選擇性接近100%（99.7±0.1%），在現有研究報道中最高。
圖1 Fe@N10-C催化劑合成示意圖，形貌和元素表征
研究采用同步輻射分析了Fe@Nx-C催化劑中Fe、N和C位點的價态和配位環境，進一步證明在熱解過程中形成了氮摻雜的碳結構。在熱解後，Fe@Nx-C催化劑中的氮種類主要是石墨氮。Fe@Nx-C的主要活性位點是鄰近N位點的C活性位點（CN）。Fe@N10-C催化劑活性的增強歸因于Fe NPs周圍的碳層中适量的氮摻雜物。
圖2 Fe@N10-C結構表征
為了深入研究氮元素在激活C原子和提高Fe@N10-C的電化學硝酸鹽還原活性方面的作用，該研究進行了密度泛函理論計算。通過差分電荷圖揭示了Fe@N、Fe@N10-C和Fe@N20-C這三個代表性模型的活性位點，證實了電荷轉移發生在CN位點，且摻入N會導緻鄰近的C原子發生扭曲。随後，研究了N摻雜對電子結構的影響。在CN位點有更明顯的電荷積累，這表明N摻雜增加了電荷密度，從而促進了NO3-的吸附。Bader電荷分析也證明CN位點顯示出更大的電荷轉移，進一步表明CN是活性位點。為了更好地理解C原子的激活和Fe@N10-C催化劑活性的來源，課題組研究人員研究了Fe和N摻雜的碳之間的相互作用。差分電荷圖表明，N摻雜影響了電子從Fe NPs轉移到N摻雜的碳上，導緻C原子被激活，這進一步影響了反應物分子的吸附，提高了反應動力學。
圖3 反應機理示意圖
該項研究成果以《氮摻雜的碳-鐵異質結構催化劑用于提高電催化活性和選擇性産氨的研究》（N-doped carbon-iron heterointerfaces for boosted electrocatalytic active and selective ammonia production）為題在線發表在《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上。
論文第一作者為bevictor伟德官网2019級博士研究生張朔，論文通訊作者為bevictor伟德官网李淼副教授，bevictor伟德官网劉翔教授等人為實驗研究分析等提供了重要指導和幫助。研究項目得到國家自然科學基金面上項目和重點研發計劃的資助。
論文鍊接：https://doi.org/10.1073/pnas.2207080119
供稿：土壤與地下水環境教研所
