中國海洋大學(xué)在MOFs電催化一氧化氮還原合成氨方面取得新進(jìn)展
http://reabo.cn　 2024年10月14日　 來源：華禹教育網(wǎng)
　　近日，中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院邵鋒副教授團(tuán)隊(duì)與王文泰副教授合作，聯(lián)合浙江工業(yè)大學(xué)莊桂林教授，在化學(xué)頂尖國際期刊JACS Au（Journal of the American Chemical Society Au）上發(fā)表了題為“Two-dimensional MOF Constructed by a Binuclear-copper Motif for High-Performance Electrocatalytic NO Reduction to NH3”（二維雙核銅基MOF用于高效電催化一氧化氮還原成氨）的研究論文。


　　氨作為全球最主要的化學(xué)品之一，與人類生活有著緊密的聯(lián)系。然而，全球的氨主要來源于傳統(tǒng)的Haber-Bosch工藝。該工藝反應(yīng)條件極其苛刻，耗能高，并伴隨大量溫室氣體的排放，對環(huán)境造成了一定的污染。電化學(xué)氨合成技術(shù)作為一種綠色、節(jié)能的合成方法，近年來受到了廣泛關(guān)注。目前，電催化合成氨主要采用氮?dú)猓∟RR工藝）。然而，氮?dú)猓∟2）固有的化學(xué)惰性嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。與N2相比，由于一氧化氮（NO）的離解能較低，電催化還原NO制取NH3在動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)上相對更容易。此外，電催化NO還原轉(zhuǎn)化為有用的NH3為同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的NO減排和NH3生產(chǎn)提供了良好的平臺(tái)。然而，NORR反應(yīng)依賴于具有高活性和選擇性的電催化劑來加速反應(yīng)過程，同時(shí)抑制主要的競爭性析氫反應(yīng)(HER)。因此，開發(fā)高效、高選擇性的電催化劑至關(guān)重要。
　　
　　金屬有機(jī)框架（MOFs）是由金屬團(tuán)簇與有機(jī)配體通過配位作用形成的一類新型晶態(tài)多孔材料，近年來在催化領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注和研究。MOFs的多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積能夠?qū)崿F(xiàn)催化位點(diǎn)的空間分離并促進(jìn)物質(zhì)傳輸，從而提升催化活性；MOFs結(jié)構(gòu)和成分易于定制、可以靈活設(shè)計(jì)調(diào)控，為富集NO并穩(wěn)定反應(yīng)中間體提供了便利。鑒于這些優(yōu)勢，MOF基材料有望成為實(shí)現(xiàn)高性能電催化NO合成氨的催化劑�；诖�，中國海洋大學(xué)邵鋒副教授團(tuán)隊(duì)利用5-（2’-羧基苯氧基）間苯二甲酸（H3L）為有機(jī)連接劑，通過水熱法合成了一種具有高NO電還原活性與穩(wěn)定性的二維銅MOF({[Cu(HL)]·H2O}n，Cu-OUC)電催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，該催化劑具有優(yōu)異的一氧化氮合成氨性能：法拉第效率為96.91%，氨產(chǎn)率為3415.82ugh−1mgcat−1，開創(chuàng)了MOF用于一氧化氮高效還原成氨的先河。此外，以Cu-OUC作為陰極組裝的Zn–NO電池也顯示出優(yōu)異的性能，功率密度為2.04mWcm−2，NH3產(chǎn)率616.92μgh−1mg−1，同時(shí)實(shí)現(xiàn)NO去除、氨合成和電能輸出。原位紅外和理論計(jì)算進(jìn)一步揭示了催化機(jī)制。Cu-OUC的表面通過電子“Acceptance-Donation”的雙向電荷轉(zhuǎn)移模式有效地促進(jìn)了NO的活化，*NO的形成是電位決定步驟，且ΔG僅為0.20eV。該研究為面向溫和條件下NORR應(yīng)用的高效MOF基電催化劑的設(shè)計(jì)與合成提供了新思路。


　　　　　　　　　　　　　邵鋒副教授（一排左二）團(tuán)隊(duì)
　　
　　研究成果的第一完成單位是中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和化學(xué)化工學(xué)院，共同第一作者為化學(xué)化工學(xué)院2020級博士研究生羅榮、2021級碩士研究生李寶靜及浙江工業(yè)大學(xué)2022級碩士研究生王展鵬，通訊作者為浙江工業(yè)大學(xué)莊桂林教授、中國海洋大學(xué)王文泰副教授和邵鋒副教授。該工作得到了山東省自然科學(xué)基金、學(xué)校學(xué)科建設(shè)等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的大力支持。
　　
　　通訊員：邵鋒
　　
　　文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.4c00475
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