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【DFT+實驗】Nano Letters:B調(diào)控Co位點的電子結構,有效增強NO轉化為NH3的活性

【DFT+實驗】Nano Letters:B調(diào)控Co位點的電子結構,有效增強NO轉化為NH3的活性

由哈伯-博世(Haber-Bosch)工藝合成的氨(NH3)是一種重要的化學品是,該工藝成本高、能源密集,并造成嚴重的環(huán)境污染。電催化氮氣(N2)、硝酸根(NO3?)和一氧化氮(NO)還原是一種很有前途的可再生NH3制備方法。對于N2和NO3?前體,N≡N鍵斷裂需要很高的活化能,而NO3?轉化為NH3涉及8電子轉移過程,這在能量上是不利的。以NO為前體的eNORR不僅能夠可持續(xù)生產(chǎn)NH3,而且可以減少大氣中NO的污染。然而,eNORR較差的反應動力學和NO在水溶液中的低溶解度阻礙了該技術的發(fā)展,因此,設計和開發(fā)一種有效的eNORR電催化劑以增強對NO的吸附和加快反應動力學對于eNORR的實際應用至關重要。

【DFT+實驗】Nano Letters:B調(diào)控Co位點的電子結構,有效增強NO轉化為NH3的活性

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基于此,中南大學張文超、王海鷹阿德萊德大學郭再萍等在Co基材料中引入硼(B)形成一種具有異質結構的CoB/Co@C催化劑,其能夠有效催化eNORR。結果表明,所制備的CoB/Co@C催化劑在?0.6 VRHE電壓下的NH3產(chǎn)率高達315.4 μmol h-1 cm-2,并且在Zn-NO電池中表現(xiàn)出較高的功率密度(3.68 mW cm-2)。

同時,將CoB/Co@C和Co@C在不同電位下電解1 h,在?0.6 VRHE下未能檢測到Co的氫氧化物,表明CoB/Co@C在?0.6 VRHE下的穩(wěn)定性;Co@C在?0.2 VRHE下出現(xiàn)Co的氫氧化物,在?0.8 VRHE下CoB/Co@C中檢測到Co的氫氧化物,表明CoB的存在加快了電子轉移速率,并抑制了Co的氧化。

【DFT+實驗】Nano Letters:B調(diào)控Co位點的電子結構,有效增強NO轉化為NH3的活性

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此外,實驗結果和理論計算揭示了雙位點(Co和B)對NO的富集機理,即B原子的引入誘導路易斯酸堿效應優(yōu)化了材料對NO的親和力,實現(xiàn)了Co和B位點協(xié)同吸附NO;同時,B的存在不僅減緩了Co位點的表面氧化,而且抑制了競爭性析氫反應;此外,CoB和Co的異質結構增強了電子轉移的速率,進一步提高了NH3產(chǎn)率。

總的來說,Co和B位點的協(xié)同作用導致了優(yōu)異的NO吸附活性、高的NH3產(chǎn)率和eNORR穩(wěn)定性,揭示了硼化物對于設計高效的eNORR催化劑的重要作用。

Boron-Modulated Electronic-Configuration Tuning of Cobalt for Enhanced Nitric Oxide Fixation to Ammonia. Nano Letters, 2023. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01994

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