通过 NiO 纳米片阵列上的 NO 电还原生产高性能 NH3

High-performance NH3 production via NO electroreduction over a NiO nanosheet array

作者：Pengyu Liu, Jie Liang, Jiaqian Wang, Longcheng Zhang, Jun Li,b   Luchao Yue,  Yuchun Ren,  Tingshuai Li, Yonglan Luo, Na Li, Bo Tang,  Qian Liu,   Abdullah M. Asiri, Qingquan Kong and Xuping Sun

研究背景

NO 作为最重要的氮氧化物之一，是化石燃料燃烧排放的主要有害污染物，NO 污染物的快速积累会导致光化学烟雾和酸雨等严重的环境问题。目前，选择性催化还原（SCR）是最广泛使用的通过将 NO 转化为 N2 来去除 NO 的技术。然而，该过程在高温下运行并消耗 NH3 作为还原剂。使用可再生能源电化学还原 NO 是减少有害物质的一种有前途的策略NO 并同时合成有用的 NH3。

研究亮点

在这项工作中，我们将注意力集中在钛网上的 NiO 纳米片阵列 (NiO/TM)，以实现 NO 高效氢化为 NH3。这种 NiO/TM 在中性介质中与可逆氢电极 (RHE) 相比，在 -0.6 V 电压下的 NH3 产量为 2130 mgh-1 cm-2，最大 FE 为 90%，并且在 12 小时的连续电催化过程中表现出令人赞叹的耐久性。

研究内容：

研究内容

NiO/TM是通过前体在350±1℃的空气中煅烧处理获得的。X 射线衍射 (XRD) 煅烧后，NiO/TM 的 XRD 图谱在 37.251、43.271、62.881 和 75.411 处显示峰，这些峰分别可以索引到 NiO 的（111）、（200）、（220）和（311）面（图 a)，表明从 Ni(OH)2/TM 成功转化为 NiO/TM。煅烧后，纳米片阵列保存完好（图b），所得NiO纳米片显示出粗糙的表面约60 nm的厚度（图c）。NiO 纳米片的高分辨率 TEM (HRTEM) 图像（图 d）描绘了清晰的晶体学条纹，其面间距为 0.208 nm，索引到 NiO 相的 (200) 平面。图e显示高分辨率解卷积XPS Ni 2p谱显示两个自旋轨道双峰，结合能差为17.4 eV，即Ni 2p1/2 (871.7 eV)和Ni 2p3/2 (854.3 eV)，归属于Ni2+ .34,35 四个卫星峰归因于 NiO 中的镍-氧物种，36 O 1s 峰可以分别拟合到 529.56 eV 和 531.0 eV 处的晶格氧 (O1) 和羟基 (O2)（图.f）。

我们通过使用线性扫描伏安法（LSV）测试（图2a）探测了裸TM、Ni(OH)2/TM和NiO/TM的NORR活性。NiO/TM 在 NO 下的电流密度 (j) 明显高于 Ar 下的电流密度，这意味着该催化剂上发生了有效的 NO 电还原过程。相比之下，裸TM和Ni(OH)2/TM都表现出与Ar和NO饱和电解质记录的几乎相同的j，表明它们的NORR活性较差。计算出的 NH3 产率和 FE 显示在图 b 中。从 -0.4 V 开始，NH3 产率和 FE 均随着负电位的增加而增加，在 -0.6 V 时达到最大产率 2130 mgh-1 cm-2，FE 为 90%。图c中未经Ar纯化步骤的NO3-浓度和相应的NH3收率显示，经过1小时的NORR测试后，阴极电解液中的NH3大幅增加，表明NO和NO3-在NiO/TM上同时被还原。NO3 浓度显着从 6.8 ppm 增加到 2496.85 ppm，从而提高了 NH3 产率。我们进行了对照实验以确认 NH3 是由 NO 的电还原产生的。在 Ar 和 NO 饱和电解质下进行了交替的 NO 还原测试（图 d），并且 NH3 只能在 NO 饱和电解质中检测到。计时电流分析曲线的 j 在最佳电位 0.6 V 的 12 小时整体电解过程中保持稳定。

我们组装了一种 Zn-NO 电池，该电池使用 NiO 负载碳纸 (NiO/CP) 作为阴极，以低成本锌板作为阳极，使用 0.1 M Na2SO4 作为阴极电解液。基于 NiO/CP 的电池系统可以在 2 mA cm-2 下提供 0.88 mW cm-2 的峰值功率密度（图 a）。我们电池的放电曲线表明 NiO/CP 正极的放电电压平台保持相当稳定每电流密度1 小时（图 b）。如图c所示，其中在2 mA cm时实现了228 mgh-1 cm-2的显着NH3产量。高功率密度和NH3产率超过了大多数报道的金属-N2电池系统（图d）。

NO 的第一次质子化 (*NO + H+ +e - *NHO) 是电位确定步骤 (PDS)，其正吉布斯自由能 (DG) 为 0.14 eV。态密度（DOS）分析还表明，吸附NO后，DOS态出现在NiO（200）的禁带中，这意味着其具有良好的导电性，从而加速了*NO的活化和还原（图b）。*NO和*H的吸附能比较如图c所示，NiO的表面比*H更有利于*NO的吸附，这恰好解释了NORR在NiO/TM催化剂上的高选择性。

转自：“科研一席话”微信公众号

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