目前，氨（NH3）作為工農(nóng)業(yè)重要化學(xué)品，主要通過(guò)哈伯法工藝生產(chǎn)，該工藝能耗高、CO2排放量大。在過(guò)去的幾十年里，人們探索了各種替代方法來(lái)合成NH3，如氮?dú)怆娺€原反應(yīng)（eNRR）、光催化、熱催化、酶催化氮?dú)膺€原等。這些方法中，eNRR因其溫和的反應(yīng)條件以及可與再生能源耦合和水作為氫源而被認(rèn)為是一種非常有前途的NH3生產(chǎn)途徑。 然而，效率低下嚴(yán)重阻礙了eNRR的發(fā)展。硝酸鹽電還原反應(yīng)（eNO3-RR）作為將水或土壤污染物NO3- 轉(zhuǎn)化為增值NH3的可行過(guò)程，近年來(lái)引起了人們的廣泛關(guān)注。最近，銅（Cu）基催化劑因其低成本和儲(chǔ)備豐富而在eNO3-RR中受到歡迎。二維（2D）片狀結(jié)構(gòu)具有大的比表面積、大量的活性位點(diǎn)和電子傳導(dǎo)通道，已被證明可以增強(qiáng)電催化劑的活性和穩(wěn)定性。此外，眾所周知，在燃料電池中，靠近電催化中心的流體場(chǎng)狀態(tài)對(duì)于調(diào)節(jié)傳質(zhì)能力、速度矢量和濃度梯度等起著非常重要的作用。因此，構(gòu)建具有穩(wěn)定流體場(chǎng)的平滑二維結(jié)構(gòu)Cu基催化劑有利于增效流動(dòng)電解池中的eNO3-RR。

圖1 Cu納米片用于高速率電還原NO3-至NH3和高效鋅-硝酸根電池示意圖

在本工作中，開(kāi)發(fā)了一種具有均勻片狀形貌和納米級(jí)厚度的二維Cu片催化劑（圖1）。通過(guò)消除干擾載氣，流動(dòng)電解池中的納米Cu片可以實(shí)現(xiàn)99%的優(yōu)異NH3選擇性，并在200 mA/cm2 的電流密度下實(shí)現(xiàn)120小時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在900 mA/cm2的較高電流密度下，NH3產(chǎn)率可達(dá)到峰值3.14 mmoL/cm2/h。使用該催化劑進(jìn)一步組裝了鋅-硝酸根電池，功率密度高達(dá)12.09 mW/cm2，NH3選擇性達(dá)到85.4%，超越了最先進(jìn)的鋅-硝酸根電池。COMSOL多物理場(chǎng)模擬和原位衰減全反射紅外（ATR-IR）光譜結(jié)果表明，Cu片帶來(lái)的穩(wěn)定催化界面有助于增效eNO3-RR。

該成果以“Two-dimensional Cu Plates with Steady Fluid Fields for High-rate Nitrate Electroreduction to Ammonia and Efficient Zn–Nitrate Batteries”為題發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition期刊（IF=16.6，SCI一區(qū)）上。溫州大學(xué)為第一通訊單位，化材學(xué)院研究生周李敏、陳雪秋、朱紹均為共同第一作者，我校王正軍博士、金輝樂(lè)研究員、王舜教授和呂晶晶教授為共同通訊作者。

【原文鏈接】：https://doi.org/10.1002/anie.202401924