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科学研究

我院聂华贵教授和周学梅博士在国际著名刊物ACS Applied Materials& Interfaces上发表学术论文

发布时间:2022-05-05    来源:化学与材料工程学院    作者:    点击次    [点击关闭]

氨(NH3)是氮肥生产的基本原料,对国家粮食安全至关重要。近一个世纪以来,氨的规模化生产主要依赖于能量密集型且需消耗大量化石燃料的哈伯-博施(Haber-Bosch)工艺。近年来,电化学合成氨eNRR作为一种绿色环保的替代方法,利用可持续能源驱动电化学低温合成氨引起学者们的广泛关注。然而,电化学合成氨经过多年的发展,其产氨效率和法拉第效率仍然非常低,这主要是因为N≡N三键极难活化以及在高电压下存在竞争反应(氢析出反应)。因此,探索开发低过电位下高催化活性和选择性的NRR电催化剂具有重要的意义。

 

近日,温州大学聂华贵教授和周学梅博士等通过理论计算发现,在纯Pd中引入氧后,能增加氮吸附能,使其锚定在异质结界面的Pd上;H原子吸附在异质结界面的氧上,表现出更高的H吸附能,能够抑制副反应(氢析出)据此,本研究结合温和的电化学沉积法,制备了一种氧含量可调的Pd/PdO异质结并应用于NRR反应,其展现出优异的催化活性和选择性,即在0.03 V电压下(相对于可逆氢电极),氨气产率和法拉第效率(FE)分别为11.0 μg h−1 mgcat−122.2%。为了排除实验中N污染的干扰,本研究运用15N同位素示踪法证明了氨气中N的来源。

此外,原位拉曼和准原位XPS结果表明:NRR过程中,随着外加电位的降低,吸附的N2 (Ads-N2)Pd-N的强度比明显降低,说明在反应中形成Pd-N,同时可以观测到Pd-H键,Pd-H键强度的变化与氨反应在整个电压区间的性能变化一致。原位红外与DFT等手段直接观测到反应的中间体(N-N, H-N-H),并证明其以远端缔和机制进行NRR反应。这一研究结果以Pd/PdO Electrocatalysts Boost Their Intrinsic Nitrogen Reduction Reaction Activity and Selectivity via Controllably Modulating the Oxygen Level”为题发表在《ACS Applied Materials& Interfaces》,温州大学为第一单位,化学与材料工程学院2018级研究生陈倩倩为第一作者,化材学院周学梅博士、聂华贵教授和杨植教授为共同通讯作者。

   原文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c02329