Optimizing Local Configuration of Interphase Copper Oxide by Ru Atoms Incorporation for High-Efficient Nitrate Reduction to Ammonia

Ru单原子掺杂优化界面氧化铜局域构型用于高效硝酸盐还原制氨

第一作者: 林云翔 (Yunxiang Lin)

通讯作者: 吴传强 (Chuanqiang Wu), 杨丽 (Li Yang), 宋礼 (Li Song)

所属机构: 安徽大学, 中国科学技术大学

DOI: 待补充

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期刊名称: 待补充

发表年份: 2024

论文亮点

  1. 通过快速焦耳加热法成功合成了具有Ru单原子掺杂的界面Cu₂₊₁O催化剂(RuSA@Cu₂₊₁O)，实现了98.02%的法拉第效率和0.81 mmol h⁻¹ cm⁻²的氨产率。
  2. 同步辐射X射线吸收光谱和理论计算表明，Ru原子的引入有效调节了Cu₂₊₁O的局域电子结构，促进了反应中间体的加氢过程，加速了反应动力学。

研究背景

研究方法

催化剂合成

表征技术

电化学测试

理论计算

原位表征

主要结论

  1. RuSA@Cu₂₊₁O催化剂在-0.4 V (vs RHE)电位下实现了98.02%的法拉第效率和0.81 mmol h⁻¹ cm⁻²的氨产率，显著优于纯Cu₂₊₁O催化剂。
  2. Ru原子的引入调节了Cu₂₊₁O的局域电子结构，促进了电荷极化，降低了反应能垒，加速了中间体的加氢过程。
  3. 组装的Zn-NO₃⁻电池实现了9.53 mW cm⁻²的功率密度和158.62 mmol h⁻¹ cm⁻²的氨产率，展示了潜在的实际应用价值。

图1: Cu₂₊₁O和RuSA@Cu₂₊₁O的形貌和微观结构表征

图1: 形貌和微观结构表征

图1: (a)合成过程示意图;(b)XRD图谱;(c)TEM图像;(d)HRTEM图像;(e)HAADF-STEM图像;(f)元素分布图;(g)Cu 2p XPS谱图

分析结果

图2: 电子结构表征

图2: 电子结构表征

图2: (a)Cu L边;(b)O K边;(c)Cu K边XANES谱;(d)Cu K边FT-EXAFS曲线;(e)Ru K边XANES谱;(f)Ru K边FT-EXAFS曲线;(g-i)Cu K边WT-EXAFS曲线

分析结果

图3: NO₃RR电催化活性

图3: 电催化活性

图3: (a)LSV曲线;(b)计时安培测试;(c)法拉第效率;(d)氨产率;(e)稳定性测试;(f)流通池测试

分析结果

图4: 操作同步辐射ATR-SEIRAS测量

图4: 操作ATR-SEIRAS测量

图4: (a)3D FTIR光谱和相应等高线图;(b)1700-1000 cm⁻¹范围内的红外信号;(c)3450-3100 cm⁻¹范围内的红外信号

分析结果

图5: 密度泛函理论计算结果

图5: DFT计算结果

图5: (a)理论模型;(b)2D电荷密度分布;(c)吉布斯自由能图;(d)分波态密度分析;(e)晶体轨道哈密顿布居评价

分析结果

图6: Zn-NO₃⁻电池应用

图6: Zn-NO₃⁻电池应用

图6: (a)Zn-NO₃⁻电池示意图;(b)组装电池的开路电压测量;(c)极化和功率密度曲线;(d)不同电流密度下的放电测试;(e)不同放电电流密度下的氨产率;(f)流通池组装下5 mA cm⁻²的充放电曲线

分析结果