台湾国立科技大学、深圳哈尔滨工业大学Angew:自适应三组分催化剂实现可持续氨电合成耦合甘油增值转化

第一作者：Christean Nicke、David Leander Troglaue、Chia-Yu Chang

通讯作者：李德平、林晓恒、黄炳、刘茉基、高一丹 

通讯单位：德国美茵茨市约翰内斯·古滕贝格大学、台湾国立科技大学、深圳哈尔滨工业大学

要点1：设计并构建了新型三组分串联电催化剂 (Cu-Cu₂O/Ni-NiO/WO₃)

创新性地将Cu-Cu₂O（高效硝酸根还原为亚硝酸根）、Ni-NiO（增强水解离产生活性氢H）和WO₃（作为H存储与反应平衡器）三种功能组分集成于一体。这种设计通过协同作用，精准匹配了硝酸根脱氧、*H供给与中间体深度加氢的串联反应速率，从而显著提升了催化效率，实现了高达97.1%的法拉第效率和创纪录的43.9 mg h⁻¹ cm⁻²的氨产率。

要点2：将脉冲电解技术与催化剂设计相结合，并揭示了其动态调控机制

将脉冲电解策略应用于该三组分催化剂体系，并利用在线差分电化学质谱（DEMS）揭示了其作用机理。研究表明，脉冲电解能动态调控关键氮中间体的吸附/脱附行为，从而将反应路径导向选择性生成氨，这是实现高性能的关键技术突破。

要点3：开发了阴极硝酸盐还原与阳极甘油氧化耦合的集成电解系统

本文不仅优化了阴极催化剂，还通过一步热退火处理将原催化剂适应性重构为适用于阳极的CuO-rich组分（Cu-Cu₂O-CuO/Ni-NiO/WO₃），用以驱动甘油氧化反应（GOR）。该策略用热力学更有利的GOR替代了缓慢的析氧反应（OER），在降低整体能耗的同时，在阳极联产了高附加值化学品甲酸，实现了能量与资源利用的双重优化。

图1 E3的结构和化学表征。(a-c)E3整体电极的SEM图像(d)从E3中剥离出的纯催化剂的TEM图像。(e和f)Cu富集区和Ni富集区的EDX元素映射图。(g)Cu富集颗粒的选区电子衍射图(图S8)，显示衍射斑点与多晶Cu在(111)、(200)和(202)平面中回收的催化剂的pXRD数据。通过将催化剂在乙醇中长时间超声处理，成中的反射相匹配。(h和i)对应的HRTEM图像。(j)从E3功从NF电极中分离出了纯催化剂。

图3 NO3-RR-至NH3电还原性能评估。(a)NF、E1-E5在1M氢氧化钠溶液中的LSV曲线，含(实线)与不含0.1M硝酸钠(虚线)，扫描速率:5mVs-1，未进行iR校正。(b)条形图显示E3在不同静态电位下的NH3产率、NH3FE和NO2-FE的变化情况。(c)对比使用的静态电位与脉冲电位模式。(d)NF、E1-E5分别在静态(-0.6VVs.RHE)和脉冲(0.5VVs.RHE持续1s后为-0.7VVs.)条件下的NH3产率、NH3FE和NO2-FE的表现。RHEfor2s) 电解过程。 (e)NH4+的局部电流密度随NF的变化，E1-E5在静态条件下相对于RHE电压为-0.6V。 (f)E3处的NH3产率及NH3FE在不同NO3-浓度下的变化。(g)使用15NO3-和14NO3-作为氮源时，经NO3-RR处理后电解质溶液的1HNMR谱图。附图:根据UV-vis和1H NMR方法测定的NH3产率。(h)E3在脉冲电解条件下(有/无NO3-)以及OCP状态下NH3浓度的变化。(i)E3在1MNaOH+0.1 MNaNO3溶液中经脉冲电解时的稳定性测试。在恒电位条件下比较E3与近期()开发的镍、铜及WO3基NO3-RR催化剂的氨产率及FE值，以及(k)在碱性介质中报道的NO3-RR催化剂在脉冲电解条件下的表现。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202522014

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