Advanced Science:三相界面提升Au纳米粒子NRR性能

最近,以氮气和水为反应物合成氨气的电化学氮还原(NRR)反应为替代传统工业中的Harber-Bosch工艺提供了一种极具前景的可供选择的方式。其中,贵金属Au催化剂具有较高的N-H结合力和导电性,表现出了优异的NRR性能。研究者们通过调控Au的形貌、晶体结构和晶面等来提升其氨产率和法拉第效率。然而,由于激烈的HER竞争反应,目前报导的基于贵金属Au电催化剂的氨产率和法拉第效率还远远没有达到应用的要求。

在NRR中,一个不可忽略的事实是N2在电解液中溶解度较低,因此催化剂附近的N2分子浓度较低,导致NRR性能不佳。与此同时,电解液中质子浓度较高,致使激烈的HER竞争反应。因此,增加催化剂附近的N2分子浓度和降低质子浓度是一种有效提升NRR性能的策略。最近,疏水性界面在气体参与和产生的反应中受到广泛关注,因为它能够提供快速的气体扩散路径,在催化剂表面供给充足的反应气体,在界面处产生大量的气固、液三相充分接触的位点。此外,由于水与疏水性界面不能充分接触,在疏水性界面处的质子浓度会较低。因此,在疏水性界面处设计三相催化剂是一种有效的提升NRR性能和同时抑制HER性能的有效方法。

近日,苏州大学江林教授课题组、孙迎辉教授和东莞理工学院曲江英教授课题组合作,利用原位生长的方法在疏水性碳纸上构建了Au三相电催化剂(Au/o-CFP)实现了高性能的NRR。碳质的疏水性界面为反应提供了大量的三相接触点,有效的增加了催化剂表面的N2分子浓度,降低接触的电解液质子浓度。此外,N2气泡接触角的表征结果证明疏水性界面具有更强的N2结合力。相比于亲水性界面催化剂(Au/i-CFP),Au/o-CFP表现出优异的NRR性能,氨产率达到40.6 μg h-1 mg-1,法拉第效率为31.3%。此外,循环伏安实验证实了疏水性界面有效的抑制了HER反应。这一工作为同时提升NRR性能和抑制HER反应提供了一种新的思路。相关结果发表在Advanced Science (DOI :10.1002/advs.202002630)。

本工作得到了国家优秀青年科学基金项目的支持。