Ni/Ni(OH)2核壳结构实现安培级电催化还原硝酸盐制氨

氨是重要的氮肥来源，同时也是清洁燃料。目前制氨的哈伯法因高能耗、高碳排放等缺陷不利于“双碳”目标的实现。电催化硝酸盐还原制氨具有条件温和、易于规模化、与可再生能源发电技术相兼容、可直接利用工农业废水为原料等优势，被认为是最有望替代哈伯法的绿色制氨技术。

然而，硝酸盐还原制氨反应过程复杂，涉及8电子和9质子的转移；另外析氢等副反应的竞争也会导致较低的制氨选择性及产率；且用于该反应的催化剂在高腐蚀性的电解液很难长时间稳定运行。设计高活性、高选择性以及高稳定性的催化剂是实现高效电催化硝酸盐制氨的关键。

近日，同济大学程洪飞研究员、马吉伟教授和昆明理工大学于晓华副教授合作，以典型的镍基催化剂为研究对象，通过一步电沉积法构建了具备核壳异质结构的Ni/Ni(OH)₂催化剂，并实现了超过100 h的安培级电流密度制氨。

由镍纳米颗粒内核和氢氧化镍纳米片外壳构成的Ni/Ni(OH)₂在电催化硝酸盐还原制氨的过程中，氨的最高法拉第效率高达98.5%，并且在安培级的电流密度下展现出超过100 h的稳定性，优于目前报道的催化剂。

原位拉曼光谱表明镍核和氢氧化镍纳米片外壳可以根据不同的催化电位相互转化从而调整二者比例至最佳催化状态，理论计算证明镍和氢氧化镍形成的异质结构可以改善硝酸盐还原反应中间体的吸附而氢氧化镍可以促进反应过程中的加氢步骤，二者的协同作用是实现高效还原硝酸盐制氨的关键。同时，该团队使用Ni/Ni(OH)₂作为双功能催化剂耦合了硝酸盐还原和甲醇氧化，实现了50 h的氨和甲酸盐的连续产出。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是同济大学博士研究生石新跃。

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Synergistic Effect of Ni/Ni(OH)₂ Core-Shell Catalyst Boosts Tandem Nitrate Reduction for Ampere-Level Ammonia Production

Xinyue Shi, Minghui Xie, Kaiwen Yang, Yutao Niu, Haibin Ma, Yiming Zhu, Jiayi Li, Tingting Pan, Xiaoyan Zhou, Yujie Cui, Zhao Li, Yifu Yu, Xiaohua Yu, Jiwei Ma, Hongfei CHENG

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202406750

作者介绍

程洪飞：特聘研究员、博士生导师，2021年入选“上海市高层次人才”计划。分别于2016年和2020年获新加坡南洋理工大学学士和博士学位，随后在南洋理工大学和新加坡科技局从事博士后研究工作。2022年11月加入同济大学材料科学与工程学院，主要从事金属基纳米材料的晶相调控及催化性能研究。在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Natl. Sci. Rev.等期刊发表SCI论文30余篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/378823 

马吉伟：2013年获法国普瓦提埃大学化学博士学位，2013-2015年先后在德国慕尼黑工业大学和法国巴黎第六大学从事博士后研究，2015-2018年任法国国家科学研究中心A类研究员，2018年加入同济大学材料科学与工程学院，入选国家高层次人才计划。主要从事缺陷能源材料的设计与构筑，在国际知名学术期刊上发表学术论文60余篇，包括Nature Materials、Nature Catalysis和Nature Communications等，著有英文专著2章，获法国、美国、日本和中国授权专利6项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/378822 

于晓华：云南省兴滇英才支持计划青年拔尖人才，副教授。2014年12月获昆明理工大学材料加工工程专业工学博士学位，2018年12月破格晋升副教授。主持或参与国家级、省部级以及企业委托科研项目30余项，其中主持国家自然科学基金项目1项，国家重点实验室联合项目1项，云南省教育厅科学研究基金项目1项，省级人才培养项目1项，企业委托的科技开发项目1项。公开发表学术论文152篇，其中第一作者及通讯作者发表SCI 85篇，EI论文46余篇，主编/参编学术专著2部。获中国有色金属工业协会一等奖1项（4/6），中国循环经济协会一等奖1项（6/15），云南省自然科学三等奖1项（3/3），云南省优秀博士论文奖1项，昆明理工大学优秀博士论文奖1项。担任SCI/EI期刊Nature Communications, ACS Nano, Nanoscale, Journal of Alloys and Compounds和Physica D等多个期刊杂志的编审专家。