ChemCatChem：一种用于环境条件下高选择性电催化合成氨的氧化石墨烯负载钯铜合金催化剂

大连理工大学刘安敏课题组报道了一种负载在氧化石墨烯载体上的PdCu双金属催化剂，用于电催化氮气还原制氨表现出优异的电化学性能，其最佳的氨产率为20.83 μg h^-1 cm^-2，最高的法拉第效率为3.8%。同时，该催化剂还可用于电催化硝酸盐还原制氨，其最佳的氨产率为1.62 mg h^-1 cm^-2，最高的法拉第效率为38.2%。该成果扩展了氧化石墨烯材料在电化学合成氨中的应用。

电化学氮还原反应（NRR）作为一种在环境条件下将N₂还原为NH₃的新兴技术，可用可再生能源电力作为动力源，通过电极电位和反应温度来控制反应，并且电解质可回收利用，反应过程也无二氧化碳排放，更加节能环保。然而，该工艺也存在着一些实际应用的难题。首先，氮气在水中的溶解度较低，降低了传质和电流密。其次，NRR过程是6电子反应，HER过程是2电子反应，竞争的HER反应较大程度降低了NRR选择性。正因为这些原因，阻碍了电化学合成氨的工业应用。与电化学NRR相比，电化学NO₃^–还原反应(NO₃RR)可以作为一种更具前景的低温氨合成策略。从环境角度来看，很容易将水中的有毒污染物硝酸盐转化为高价值的化学氨。从能量的角度来看，N=O键的离解能（204 kJ mol⁻¹） 显著低于N≡N键（941 kJ mol⁻¹），为NH₃生产提供更好的反应动力学。同时，使用NO₃^–的另一个优点是，它可以很好地克服N₂在电化学NRR中在水中的有限溶解度，从而获得优异的NH₃产率。总的来说，在环境条件下通过电化学NO₃RR生产NH₃为解决环境问题提供了新的机会。因此，开发出具有高氨选择性和法拉第效率的电催化剂变得尤为关键。

近日，大连理工大学刘安敏课题组通过简单的液相还原法在氧化石墨烯载体上制备了PdCu双金属纳米颗粒（PdCu@GO）。研究小组发现，得益于GO的优异物理化学特性以及Pd和Cu之间的协同效应，PdCu@GO复合材料可以在环境条件下高效地合成氨。电催化NO₃RR活性研究表明，在Pd: Cu比例为2:8时，所得Pd₂Cu₈@GO复合催化剂在-0.4 V（vs. RHE）下的NH3产率和法拉第效率分别达到1.62 mg h^-1 cm^-2和38.2%，其性能显著高于之前报道的同类型催化剂。此外，该催化剂还表现出卓越的电化学稳定性。

该工作证明了双金属氧化石墨烯基催化剂在电催化领域中的巨大应用价值，并将进一步推动电催化NRR和NO₃RR合成NH₃的研究。

论文信息

A Graphene Oxide-supported PdCu Catalyst for Enhanced Electrochemical Synthesis of Ammonia

Mr. Zhuangzhuang Liang, Ms. Jianghui Cao, Ms. Fang Zhao, Dr. Jiliang Song, Mr. Sensen Xue, Ms. Qianqian Hua, Prof. Xuefeng Ren, Prof. Liguo Gao, Prof. Tingli Ma, Prof. Anmin Liu

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202300970