生物启发型电催化剂：高效将硝酸盐还原为氨的新突破

生物启发型电催化剂：高效将硝酸盐还原为氨的新突破

本文介绍了一种受天然硝酸盐还原酶启发的仿生电催化剂，用于高效电化学还原硝酸盐为氨。研究人员开发了一种基于镍泡沫 (NiNF) 核心的树枝状结构。该复合材料上生长有还原氧化钼 (MoOx) 壳层。这种 MoOx/NiNF 材料采用简单的两步电沉积策略，使用市售的低成本前体制备而成。

MoOx/NiNF在中性介质中表现出优异的催化性能，在-0.5 V vs.可逆氢电极（RHE）电位时法拉第效率（FE）为99％，在-1.0 V vs.RHE时具有较高的催化活性。氨产量高达4.29 mmol h-1 cm-2。更重要的是，MoOx/NiNF在硝酸盐还原反应（NO3RR）中表现出优异的稳定性，能够在-650 mA cm-2的高电流密度下进行反应。连续运行时间超过3100小时，同时保持2.6 mmol h-1 cm-2的产量和稳定的平均氨FE约83％。

研究表明，MoOx/NiNF对硝酸盐的显著亲和力与其内部存在大量氧空位有关，此类氧空位促进了Mo位点对硝酸盐的亲和力，从而实现了离子的仿生活化，同时最大程度地降低了竞争性析氢反应（HER）。

文章还详细描述了MoOx/NiNF材料的制备过程，包括首先在商业化镍泡沫基底上通过电沉积生成具有高比表面积的镍支撑结构，然后采用（NH4）溶液还原电沉积在生成的NiNF上形成MoOx层。利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线谱（EDX）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）对材料进行了表征，对MoOx层的结构和成分进行了表征，证实了Ni核和MoOx壳的核壳结构，以及MoOx层的无定形性质。

电化学测试中，MoOx/NiNF在含有0.1 M NO3−的0.1 M溶液中的中性介质中表现出优异的NO3RR催化活性。线性扫描伏安法（LSV）和计时电流法（CA）测试表明MoOx/NiNF具有优异的NO3RR催化活性。测定了材料的催化性能，并利用1H核磁共振（NMR）、气相色谱（GC）和离子色谱（IC）等技术对生成的氨、氢气和亚硝酸盐等反应产物进行了定量分析。

此外，该研究还探索了MoOx/NiNF在长期运行中的稳定性，通过连续循环测试，证明MoOx/NiNF在多次循环后依然保持较高的氨选择性和产率。然而，研究还观察到，电解过程中电解液的pH值发生漂移，这可能会限制催化剂的长期稳定性。为了解决pH漂移和NO3−质量传输限制，研究人员在流动电池中评估了MoOx/NiNF的催化性能。这允许将新鲜的电解质连续输送到阴极室，显着提高电流密度并在宽电位范围内保持较高的氨法拉第效率，同时大幅抑制竞争性HER。

最后，文章讨论了MoOx/NiNF在超过3100小时的长期稳定性测试中表现出的优异性能，即使在高电流密度下也能保持稳定的氨产率和法拉第效率。长期运行后，MoOx/NiNF的结构和成分保持不变。虽然在某些区域观察到MoOx层与核心之间的缝隙，这表明长期运行后MoOx层可能从催化剂表面剥离，但材料上仍有一层薄薄的MoOx覆盖，表明催化剂材料本体在长期电解过程中保持稳定。

这项研究不仅提供了一种高效的硝酸盐还原电催化剂，而且展示了其在实际应用中的巨大潜力，特别是在催化硝酸盐还原方面。通过模仿自然界中的硝酸盐还原酶，MoOx/NiNF该材料的制备和性能为环境修复和可持续生产氨提供了新的策略。