我所揭示电催化一氧化氮还原反应的电势依赖性

  近日,我所催化基础国家重点实验室理论催化创新特区研究组(05T8组)肖建平研究员团队在电催化人工氮循环研究方面取得新进展,揭示了电催化一氧化氮还原反应的电势依赖性。

  氮氧化物(NOx)是一种常见的环境污染物,传统的去除NOx的方式是将其转化为氮气直接排放到空气中,即热催化脱硝技术。肖建平团队在前期的工作中提出并实现了一氧化氮(NO)高效电催化还原生成氨气(Angew. Chem. Int. Ed.,2020),建立了一条新型电催化人工氮循环路径。在此基础上,该团队继续研究实现NOx直接电还原得到N2路线的可能性。实验研究发现,该路线在各种电势下都很难实现,因此理解反应产物的电势依赖性尤为重要。

  本工作中,团队利用Ag电极作为模型催化剂,结合第一性原理计算与微观动力学模拟,首先验证了电催化能垒计算中采用单层水模型的可靠性;随后,考虑完整的NO还原反应网络,计算得到其所有的能量信息;最后建立了微动力学模型。研究发现,计算得到的产物选择性随外加电势的变化趋势与实验结果一致:随着电势降低,NO-NO的热化学耦合反应受到抑制而氨气的选择性升高;进一步降低电压,电催化析氢反应(HER)就会占主导作用,这是由于HER的电荷转移系数越大,受电势的影响越强。该模型还有助于理解其他电催化还原反应的电势依赖性,为实现电催化NOx转化的选择性控制提供了理论基础。

  相关研究以“Unveiling Potential Dependence in NO Electroreduction to Ammonia”为题,于近日发表在《物理化学快报》(The Journal of Physical Chemistry Letters)上。该工作的第一作者是我所05T8组2018级联合培养博士研究生龙军。以上工作得到中科院洁净能源创新研究院合作基金、国家自然科学基金,国家重大研发计划等项目的支持。(文/图 龙军)

  文章链接:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c01691

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