李灿院士团队电催化硝酸盐还原研究取得新进展

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近日，兰州大学化学化工学院先进催化中心李灿院士团队在电催化硝酸盐还原研究中取得重要进展。该工作通过共还原策略在碳载体(rGO)上构建铜钌(CuRu)纳米合金催化剂，该催化剂在极低过地位下实现了硝酸根到氨的高效转化。相关成果以“Alloying of Cu with Ru Enabling the Relay Catalysis for Reduction of Nitrate to Ammonia”为题，于近日发表在《先进材料》（Adv. Mater.）上，该工作的第一作者是高文生博士（博士后），责任作者是李灿院士和李泽龙青年研究员。
        NOx（硝酸盐类化合物）还原为氨是植物自然光合作用合成蛋白质的重要过程。生活、工业废水的大量排放及农业化肥的使用造成了地下水中硝酸盐含量日益增加，同时带来了严重的生态和环境问题。利用可再生能源驱动电催化还原硝酸盐到氨等化学品，对于解决环境问题和兼顾经济效益具有重要意义。然而，硝酸盐到氨的直接转化涉及多电子及多质子转移耦合过程，反应过程中存在多种中间体（NO2-、NO、NH2OH），因此直接将硝酸盐转化到氨存在极大挑战。而对于如何将硝酸盐还原到氨反应过程的理解也不甚清楚，解决这些基础科学问题是发展高效还原硝酸盐催化体系的关键。

图.1 (a)可再生能源驱动电催化还原硝酸盐到氨过程示意图; (b) Cu和Ru催化NO3-和NO2-到NH3的本征转化频数; (c) CuRu合金催化剂催化活性与Ru/Cu原子比关系图; (d) DFT计算金属及合金表面NO3-到NH3的反应进程图。

         本工作以铜基（Cu）催化剂作为基础通过引入少量的Ru与Cu构建金属合金催化剂，在原子尺度上实现Cu与Ru的均匀分散。随着Ru的引入可显著提升硝酸盐转化到氨的反应速率及法拉第效率，亚硝酸盐的法拉第效率得到明显抑制。最优催化剂Ru1Cu10/rGO在过电位−0.05 V vs. RHE下，氨的生成速率为0.38 mmol cm−2h−1（载量为1mg/cm2），法拉第效率高达98%。Ru1Cu10合金质量归一化的转化氨速率达到5.6 mol gmatel−1h−1。表征实验和计算结果表明，该体系高效的硝酸盐转化到氨电催化活性归因于合金催化剂上Cu和Ru位点在原子尺度上高度协同，实现了Cu对硝酸盐还原到亚硝酸盐(NO3− 到 NO2−)与Ru对亚硝酸盐还原到氨(NO2− 到 NH3)的接力催化。这种具有“接力效应”双金属合金策略为涉及多步反应催化体系的理性设计提供了一条有效途径。
         该工作得到国家自然科学基金、中央高校基本科研经费等项目的资助。（文/图 高文生、李泽龙）
        文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202202952
        兰州大学先进催化中心简介：
        兰州大学先进催化中心于2019年7月成立，李灿院士担任中心主任。中心立足西部能源资源特色，以催化为核心学科基础提升西部在新能源，生态环境，高端化学品合成等绿色低碳可持续发展方面的研究实力和水平。兰州大学先进催化中心践行“四个面向”，注重“产-学-研”发展，特别为西部发展提供技术和人才支撑。2020年，得到甘肃省科技厅的支持，依托先进催化中心及物理化学研究获批甘肃省先进催化重点实验室。
        兰州大学先进催化中心自成立至今，在铁电光催化剂电荷分离、形貌控制提升光生电荷分离、光电转化器件理性设计、光电催化消除难降解有机污染物等方面先后取得重要进展，相关文章发表在J. Am. Chem. Soc.；Adv. Mater.; Applied Catalysis B: Environmental等期刊上。
         兰州大学先进催化中心招收硕博研究生、招聘博士后及科研助理（优秀者可享受学校萃英博士后和青年研究员待遇），欢迎有志于催化研究工作的研究生、博士后及科研助理加盟李灿院士团队。
         兰州大学先进催化中心李灿院士团队博士后招聘启事（兰州大学新闻网）
         http://news.lzu.edu.cn/c/202006/70530.html
          文献来源：兰州大学
      李灿，男，汉族，1960年1月生于甘肃省。理学博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。2003年当选中国科学院院士，2005年当选第三世界科学院院士，2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士、英国皇家化学学会会士。任中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室（筹）主任，中法催化联合实验室中方主任，英国石油公司与中国科学院大连化学物理研究所能源创新实验室主任，兼任中国科学技术大学材料与化学学院院长。主要从事催化材料、催化反应和催化光谱表征方面的研究，研制了具有自主知识产权的国内第一台用于催化材料研究的紫外共振拉曼光谱仪。