Fremme nitrogenoxidelektroreduktion til ammoniak over elektronrigt Cu moduleret af Ru-doping

Som et vigtigt nitrogenholdigt kemikalie, ammoniak spiller en afgørende rolle i produktionen af ​​gødning, sprængstoffer og finkemikalier. På nuværende tidspunkt ammoniak er hovedsageligt blevet fremstillet af H ₂ og N ₂ under høj temperatur (300-500 ^o C) og højtryk (200-300 atm). Denne proces bruger enorme mængder energi og udleder enorme mængder drivhusgas. Dermed, elektrokemisk ammoniaksyntese (EAS) har tiltrukket sig intensiv opmærksomhed.

I øjeblikket, EAS fokuserer hovedsageligt på den elektrokemiske reduktion af N ₂ . Imidlertid, den iboende træghed af N ₂ begrænser den faradaiske effektivitet og udbyttegrad af ammoniak alvorligt. Samtidigt, massiv nitrogenoxid (NO) udledes og forårsager alvorlige miljøproblemer. De nuværende kommercielle behandlingsteknologier har til formål at omdanne NO til miljøvenlig, men ubrugelig N ₂ .

Ud fra synet på "at gøre affald til rigdom", at udvikle nye EAS-strategier ved at indføre NO som en nitrogenkilde er en win-win-mulighed. Men, udviklingen af ​​denne teknologi forsinkes af manglen på effektive elektrokatalysatorer. I øvrigt, identifikation af mellemprodukter og afsløring af reaktionsmekanismen for NO elektroreduktionsreaktion (NOER) er afgørende for design og konstruktion af avancerede elektrokatalysatorer.

For nylig, Prof. Bin Zhang og kolleger fra Tianjin University konstruerede en række Ru-dopet Cu-materialer gennem in situ elektroreduktion af de tilsvarende metalhydroxider. Den optimerede Ru _0,05 Cu _0,95 udviste overlegen elektrokatalytisk ydeevne til ammoniaksyntese ved brug af NO/Ar (1/4, n / n ) som råmaterialer (faradaisk effektivitet:64,9 %, Udbyttegrad:17,68 µmol cm ^-2 h ^-1 ), klart bedre end Cu-modparten (faradaisk effektivitet:33,0 %, Udbyttegrad:5,73 µmol cm ^-2 h ^-1 ). Den alternerende-N-vej for NOER over Ru _0,05 Cu _0,95 blev bekræftet baseret på de påviste mellemprodukter fra elektrokemisk in situ Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi og online differentiel elektrokemisk massespektrometri (DEMS).

Eksperimentelle og teoretiske simuleringer afslørede, at faldet d -båndets centrum af overfladen Cu forårsaget af Ru-doping reducerede reaktionsenergien for det hastighedsbegrænsende hydrogeneringstrin og desorptionsenergien af ​​NH ₃ , inducere forbedring af NOER ydeevne. Dette arbejde kan åbne en ny vej for rationelt design og konstruktion af effektive elektrokatalysatorer til NO-til-NH ₃ konvertering.