近日，碳中和研究院研究团队在国际顶级期刊Advanced Functional Materials发表题为《氢溢流效应促进多孔Ni2P/Pd6P纳米棒催化硝酸盐电还原合成氨性能》的研究论文。Advanced Functional Materials是材料科学领域顶级期刊，主要刊载纳米技术、材料物理及化学和生物材料等方面的突破性研究和综述文章，2023年影响因子为19.0。浙江万里学院为第一署名单位，陈忠伟、王新为通讯作者，碳中和研究院青年教师张晓雨为第一作者。
化石燃料过度使用导致的环境污染问题不容忽视。其中，温室气体中的氮氧化物通过酸雨进入到地表水，再加上人为的化学生产和农作物施肥，导致大量的含氮污染物进入地表水和含水层，引起土壤酸化和地表水富营养化等一系列环境问题，对人类健康构成严重的威胁。因此，选择高效清洁的方法去除硝酸盐污染物刻不容缓。和传统的处理方法相比，电催化法去除硝酸盐反应条件温和，可以通过改变反应电压控制反应的产物及速率，不会形成二次污染。同时，电催化硝酸盐还原合成氨是取代传统合成氨的新方法。但是，阴极析氢竞争反应的发生导致产氨的效率降低。由于还原产物种类较多，氨的选择性降低。因此，制备选择性较高的催化剂是提高电催化硝酸盐合成氨反应效率的关键。
针对该领域的关键问题，陈忠伟院士与王新研究员合作发表题为“Boosting the Electroactivity of Porous Ni2P/Pd6P Nanorods for Nitrate to Ammonia through Hydrogen Spillover Effect”的研究论文。该文章在磷化镍催化剂中引入Pd元素，通过Pd的氢溢流效应抑制析氢副反应的发生，同时提高合成氨的选择性和产率。该方法为含氮污水治理提供新的思路，同时也是取代传统合成氨的新方法。
图1. Ni2P/Pd6P催化剂的制备流程以及硝酸盐还原合成氨的反应机理
理论计算表明，Pd元素的引入改变了Ni2P电子结构，增强了催化剂表面对NO3-的吸附，Pd位点作为还原H的吸附位点，通过氢溢流效应为硝酸盐还原反应提供丰富的还原氢，提高了硝酸盐还原合成氨的速率，选择性以及产率。同位素标记实验证明产物氨中的N元素来自NO3-，排除了环境中NH3的影响。电化学实验结果表明，该催化剂合成氨的选择性高达93.4%，氨产率为0.908 mmol h-1mgcat-1。
图2. Ni2P/Pd6P催化剂表征结果
图3. Ni2P/Pd6P纳米棒催化硝酸盐还原合成氨的性能
图4. 硝酸根还原合成氨的理论计算结果
【文章链接】
Boosting the Electroactivity of Porous Ni2P/Pd6P Nanorods for Nitrate to Ammonia Through Hydrogen Spillover Effect
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202313548
