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​【计算+实验】清华/石科院Small：用于硝酸盐电催化还原为氨的N配位Cu-Ni双原子催化剂

Rose 计算材料学 2023-03-21
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Haber-Bosch法是一种传统的氨（NH3）合成方法，它消耗了大量的能量，研究人员提出了通过电催化从硝酸盐（NO3-）合成NH3的替代路线。然而，构效关系仍然具有挑战性，需要在实验和理论上进行深入研究。
基于此，清华大学李俊华教授，王定胜副教授，尹海波博士，中国石化石油化工科学研究院Fang Wei（共同通讯作者）等人报道了一种锚定在氮（N）掺杂碳中的N配位Cu-Ni双原子催化剂（Cu/Ni-NC），该催化剂具有竞争活性，最大NH3法拉第效率为97.28 %。
本文通过DFT计算揭示了硝酸盐还原反应（NITRR）中合成NH3的反应机理和Cu/Ni-NC催化剂的高活性来源。
NO3-双齿吸附在Cu/Ni-NC的Cu-Ni双原子位点上，NO3-在Cu/Ni-NC上的吸附能明显低于Cu-NC和Ni-NC，表明Cu和Ni原子通过Cu-N-Ni构型发生协同作用。
从反应动力学的角度来看，在Cu/Ni-NC催化剂上生成N*中间体和NH3*比Cu-NC和Ni-NC更有利，并且具有较高的NH3选择性。
进一步的研究表明，Cu/Ni-NC催化剂的高活性主要来自于Cu-Ni双活性位点的贡献：（1）电子转移（Ni→Cu）揭示了Cu-Ni双原子的强电子相互作用；（2）Cu 3d、Ni 3d和NO3-的O 2p轨道的强杂化能加速电子从Cu-Ni双位点向NO3-的转移；（3）Cu/Ni-NC能有效地降低速率决定步骤能垒，抑制N-N偶联生成N2O和N2等副产物。
N-Coordinated Cu-Ni Dual-Single-Atom Catalyst for Highly Selective Electrocatalytic Reduction of Nitrate to Ammonia. Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202207695.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202207695.

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