张兵课题组：钌掺杂促进铜电还原一氧化氮合成氨

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氨作为一种重要含氮化学品，在肥料、炸药和精细化学品生产方面起着至关重要的作用。目前，氨主要由H₂和N₂在高温（300-500 ^oC）和高压（200-300 atm）条件下制取，消耗大量能量的同时排放大量温室气体。为了解决此问题，电化学合成氨引起大家广泛兴趣。另一方面，大量的一氧化氮（NO）被排放会导致严重的环境问题。目前的商业处理NO技术旨在将NO转化为环境友好但附加值低的N₂。从“变废为宝”的角度来看，采用NO作为氮源开发新的电化学合成氨是一种双赢策略。但是，由于缺乏有效的电催化剂，使得该技术的发展受到阻碍。此外，确定反应中间体并揭示NO电还原反应（NOER）的反应机理对于先进电催化剂的设计与构建至关重要。

最近，天津大学理学院张兵教授等人采用掺杂策略制备出钌掺杂Cu纳米催化剂（Ru_xCu_1-x）用于NOER。优化后的Ru_0.05Cu_0.95产氨法拉第效率（FE_NH3）和产率（Y_NH3）分别为64.9%和17.68 µmol cm^-2 h^-1，明显优于Cu（33.0%, 5.73 µmol cm^-2 h^-1）。基于电化学原位红外（FTIR）光谱和在线电化学微分质谱（DEMS）检测到的中间体，证实了NOER是以交替N端加氢的路径进行反应。实验和理论模拟表明，Ru掺杂导致表面Cu的d带中心降低，降低了限速氢化步骤的反应能和NH₃的脱附能，从而提高了 NOER 性能。这项工作为合理设计和构建用于NO到NH₃转化的高效电催化剂开辟了一条新途径(见下图)。

论文第一作者为天津大学工业催化专业的研究生史江维，通讯作者为张兵教授。详见：Jiangwei Shi, Changhong Wang, Rong Yang, Fanpeng Chen, Nannan Meng, Yifu Yu, Bin Zhang. Promoting nitric oxide electroreduction to ammonia over electron-rich Cu modulated by Ru doping. Sci. China Chem., 2021, DOI:10.1007/s11426-021-1073-5.

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通讯作者简介

张兵，天津大学理学院化学系教授、博导。自独立工作以来，一直专注于面向水中氢高效催化利用的合成化学研究。获得了中国化学会青年化学奖(2012)及国家优青(2014)资助，入选教育部青年长江学者(2015)、万人计划-青年拔尖人才(2018)、英国皇家化学会会士(2019)和Angew. Chem.专栏作者(2019)，担任中国化学会晶体化学专业委员会委员、青年化学工作者委员会委员及Sci. China Chem.青年编委等。