您现在的位置:首页 >  >> 合理设计Fe-N-C催化剂用于常温常压下氮气电化学还原

合理设计Fe-N-C催化剂用于常温常压下氮气电化学还原

时间:2020年07月08日 点击数: 出处: 编辑:

  氨气(NH3)易于存储和运输,易变成氮气和氢气,并且不涉及含碳物种的参与,是理想的储氢和能量来源,被称为液体燃料。然而,传统的哈伯法制氨需要高温高压耗能巨大而且产生大量温室气体,所以,发展高效绿色温和条件下的制氨是科学家们的研究重点。吉林大学材料科学与工程学院的一个研究组报道了一种具有内在Fe-N3氮气还原催化位点的铁-/碳材料,在电催化氮气还原中展现出较高的产率和法拉第效率。相关的研究成果发表在201913日的《ACS Catalysis》上。 

  该研究组发现了具有内在Fe-N3氮气还原催化位点的Fe-N-C材料,其特殊的铁和氮的配位结构,以及对氮气的化学吸附和自身磁性,对氮气有较强的吸附和活化作用,而且其本身的多孔结构和高的导电性,使其在电催化氮气还原中展现出较高的产率和法拉第效率。该催化剂在-0.2 V vs. RHE的电位下,达到了较高的氨气产率(34.83 μg·h-1·mg-1cat.),法拉第效率达到9.28%。循环电解5次后,产氨速率和法拉第效率基本保持稳定。反应的表观活化能为5.56 kJ·mol-1,远低于工业Haber-Bosch (≈ 335 kJ·mol-1)。更重要的是,实验结果和理论计算表明,内嵌的Fe-N3基团作为一种有效的NRR催化活性位点,有效地提高了NRR的活性。本研究不仅为精确设计固氮催化剂提供了一个典型的范例,而且拓展了M-N-C材料在电催化氮气还原方面的应用。 

  

  

  

  利用北京同步辐射装置(BSRF1W1B-XAFS实验站对所合成材料中的Fe-N3基团的结构进行了详细表征和分析,获得了FeK边近边吸收谱,进一步确定了Fe-N/C-CNTs催化剂及其Fe-ZIF-8-CNTs前驱体中铁元素的结构和配位环境。催化剂中铁物种的平均价态位于Fe0Fe3+之间,拟合结果表明,Fe-N/C-CNTs第一壳层中的Fe-N/O平均配位数为3.0 

  该工作被日本徐强课题组,新加坡颜宁等课题组等在Chem. Rev., Joule等期刊综述中被引用,评价本工作在单原子催化、小分子活化等领域具有推动和参考作用。 

  发表文章: 

  Ying Wang, Xiaoqiang Cui,* Jingxiang Zhao, Guangri Jia, Lin Gu, Qinghua Zhang, Lingkun Meng, Zhan Shi, Lirong Zheng, Chunyu Wang, Ziwei Zhang, and Weitao Zheng*. Rational Design of Fe-N/C Hybrid for Enhanced Nitrogen Reduction Electrocatalysis under Ambient Conditions in Aqueous Solution  ACS Catalysis, 2019, 9, 336-344. 

字体: 收藏 打印文章