武汉轻工大学全凤娇在《ACS Applied Nano Materials》发表高效还原硝氮研究成果

快速的工业发展和不断壮大的养殖业导致环境中硝酸盐(NO₃⁻)的浓度不断增加。含NO₃⁻的废水会导致环境富营养化，危害人类健康，甚至有致癌风险。因此，人们采用了多种策略来去除废水中的NO₃⁻。在众多方法中，电催化将NO₃⁻转化为NH₃ (NITRR)可以同时实现NO₃⁻的去除和NH₃的合成，既解决了环境问题，又实现了废氮资源的有效利用。然而，NITRR过程涉及八次电子转移，导致产物非常复杂多样。据报道，NO₃⁻吸附和NO加氢是实现高效NITRR过程的关键步骤。这是因为N - O键化学解离的能垒非常高(2.3 eV)。然而，NOH*破坏N - O键的活化能垒相当低(0.9 eV)。这促使我们通过促进NO₃⁻吸附或*NO加氢来提高NITRR的活性。

目前，关于促进NO₃⁻吸附的报道已有很多，但关于如何促进*NO氢化的报道却很少。一般来说，增加*H的浓度并降低*NO氢化的能垒可以促进*NO氢化过程。赵等人合成了一种具有Fe - Ni - N₆配位中心的金属有机框架衍生电催化剂，发现镍在NITRR反应过程中起着至关重要的作用。镍有助于关键反应中间体的吸附和活化。黄等人发现，在氧化亚铜/氧化镍异质结构电催化剂中，有利于的吸附和氨气的脱附。此外，龚等人发现，氧化镍/镍多相纳米界面的形成可为电催化析氢反应提供丰富的活性位点。而且，在这种纳米界面的协同作用下，该体系表现出与铂相当的电催化性能。张等人合成了一种铁掺杂的磷化镍复合材料，其氨的法拉第效率达到了94.3%。铁掺杂使镍原子的d带中心向费米能级移动，从而优化了反应能垒，提高了其电催化硝酸盐还原活性。

受此启发，研究人员开发了用于NITRR还原反应的铁纳米片与氧化镍/泡沫镍复合材料(Fe@NiO/NF)电极，该电极在-0.45 V电位下具有极高的法拉第效率，超过98.7%。相比之下，氧化镍/泡沫镍(NiO/NF)和铁纳米片/泡沫镍(Fe/NF)将NO₃⁻电催化还原为NH₃的法拉第效率分别仅为9.2%和58%。此外，Fe@NiO/NF电极在100小时的电解过程中，氨的法拉第效率并未显著下降。另外，通过对照实验和密度泛函理论(DFT)计算揭示出，铁纳米片和氧化镍的协同效应促进了*H的生成以及*NO的氢化过程。这项研究为提高廉价电极材料用于硝酸根离子电还原反应的活性提供了一种简单而有效的方法。

相关研究成果近日以“Nickel Oxide Accelerated Iron Nanostructures for Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia”为题发表在《ACS Applied Nano Materials》上。武汉轻工大学全凤娇为本文的第一作者，武汉轻工大学申文娟副教授、李建芬教授和湖北师范大学刘修凡为共同通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.5c04300