可控合成非常规晶相纳米合金用于高效电催化亚硝酸盐还原合成氨

地球上氮循环的平衡是生态系统可持续发展的前提，但是近年来诸多人类活动，如过度施肥、化石燃料的燃烧等严重扰乱了氮循环的平衡，从而对人类和环境的健康产生了巨大的威胁。作为氮循环中一个重要的中间体，亚硝酸根离子（NO₂^-）被世界卫生组织列为2A致癌物质，它可以造成包括蓝宝宝综合征、细胞坏死和高血压在内的诸多疾病。鉴于此，将这种危险物质转化成无毒或者有用的物质从而来维持生态系统中氮循环的平衡迫在眉睫。在诸多方法中，电催化亚硝酸根还原（NO₂RR）是一种简便且比较有前景的方法，它可以同时实现NO₂^-污染物的转化以及附加值产品NH₃的产生。NH₃是一种在化工、制药、塑料生产等领域不可或缺的化学品，它也被认为是未来的绿色能源载体和无碳燃料。值得注意的是，NO₂RR是一个质子耦合的多电子转移反应过程，涉及多个中间体的吸附和脱附，副产物的产生尤其是氢气的析出大大降低了合成氨的效率和选择性。因此开发高活性、高选择性的电催化亚硝酸盐还原合成NH₃催化剂至关重要。

以往的催化剂设计主要集中于催化剂尺寸组分的调整、缺陷的构建以及维度的调控，但催化剂晶体结构在电催化亚硝酸盐还原反应中的研究还鲜有报道。近年来，纳米材料相工程（PEN）的研究取得了巨大的进展。与常规晶相的金属纳米材料相比，非常规晶相具有不同的原子排列顺序，从而可以有效改变材料的电子结构，以及对特定物质的吸脱附性质，该策略也被认为是一种调控金属纳米材料本征物理化学性质从而提高催化活性的有效方法。研究表明，具有非常规晶相的单金属催化剂具有优于其常规晶相的催化性能。然而，在多电子转移反应，如NO₂RR中，单金属催化剂往往受限于其有限的表面吸附位点，这使其在催化反应中很难同时实现对多种中间体的吸附和稳定。设计和合成具有非常规晶相的合金催化剂将是一个有效的策略。但是，由于不同金属元素间还原电势，表面能量以及成核/生长性质的不同，可控合成具有非常规晶相的合金催化剂仍然是一个巨大的挑战。

近日，香港城市大学范战西教授、清华大学谷林教授和香港理工大学黄勃龙教授合作,开发了一种一步溶剂热法成功合成了非常规相hcp IrNi纳米枝状结构（nanobranches, NBs）,并将其应用于电催化亚硝酸盐还原反应中，实现了高效电化学合成氨。

图1. hcp IrNi NBs的结构表征。

图2. hcp IrNi NBs在电催化亚硝酸盐还原反应中的性能测试结果。

图3. hcp IrNi NBs在电催化亚硝酸盐还原反应中的理论计算结果。

这一成果近期发表于Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是香港城市大学博士研究生王云豪、熊岳城、周静雯和香港理工大学孙明子博士。

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Controlled Synthesis of Unconventional Phase Alloy Nanobranches for Highly Selective Electrocatalytic Nitrite Reduction to Ammonia 

Yunhao Wang, Yuecheng Xiong, Mingzi Sun, Jingwen Zhou, Fengkun Hao, Qinghua Zhang, Chenliang Ye, Xixi Wang, Zhihang Xu, Qingbo Wa, Fu Liu, Xiang Meng, Juan Wang, Pengyi Lu, Yangbo Ma, Jinwen Yin, Ye Zhu, Shengqi Chu, Bolong Huang, Lin Gu, Zhanxi Fan 

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202402841

范战西教授简介

范战西，香港城市大学化学系助理教授，国家贵金属材料工程研究中心香港分支核心成员，全球高被引学者（Top 1‰）。目前主要从事低维金属基纳米材料的可控合成及其在催化、能源、环境应用方面的研究。迄今，已在国际核心SCI期刊上发表论文 115 篇，其中第一/通讯作者论文 50 余篇；论文总引 17600 余次，H指数为 61 。近年来，以第一/通讯作者发表论文 PNAS (3篇), Nat. Rev. Chem./Nat. Protoc./Nat. Commun. (5篇)，Matter/Cell Rep. Phys. Sci./Chem Catal. (5篇), Chem. Soc. Rev./Acc. Chem. Res. (4篇)，J. Am. Chem. Soc./Angew. Chem. Int. Ed./Adv. Mater. (10篇)，ACS Nano/Nano Lett./Adv. Funct. Mater./Adv. Energy Mater./ACS Mater. Lett./Chem. Sci. (12篇) 等。曾入选/获得2018-2023年科睿唯安“全球高被引学者”（Top 1‰，连续6年）、2021年国际科学组织“Vebleo协会会士”、2020-2023年纳米科学与纳米科技领域“世界前2%科学家”(连续4年）、2022年 Advanced Materials 和 Small 期刊“Rising Star”、2015年欧洲材料研究学会“青年科学家奖”、2021年J. Mater. Chem. A期刊“新锐科学家”、2016年新加坡南洋理工大学“博士研究卓越奖”和2015年中国留学基金委“国家优秀自费留学生奖学金”等。担任 Science Bulletin, SmartMat 等期刊编委/青年编委，并为 Nat. Catal., Nat. Energy, Nat. Commun., Matter, Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Natl. Sci. Rev., Water Res., Chem Catal., Cell Rep. Phys. Sci., ACS Nano, Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Mater. Today, ACS Energy Lett., ACS Mater. Lett.等顶级/知名学术期刊审稿人。

https://www.x-mol.com/university/faculty/347450