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劉天西/張龍生Small:富氧空位鈣鈦礦作為高效硝酸還原成氨電催化劑的研究

鈣鈦礦氧化物對NRA催化的催化活性

劉天西/張龍生Small:富氧空位鈣鈦礦作為高效硝酸還原成氨電催化劑的研究
電化學硝酸鹽還原成氨(NRA)提供了一種高效、可持續的方法,將硝酸鹽污染物轉化為增值產品,被認為是工業Haber-Bosch工藝的一種有前途的替代方案。研究表明,氧化物催化劑的氧空位可調節中間體的吸附能并影響其催化性能,從而在其晶體結構中產生富集的氧空位。
基于此,江南大學劉天西教授和張龍生副教授(共同通訊作者)等人報道了鈣鈦礦氧化物對NRA催化的催化活性,其中選擇并研究了四種具有不同晶體結構的鈣鈦礦氧化物(包括立方LaCrO3、正交LaMnO3和LaFeO3、六方LaCoO3)。
結合X射線光電子能譜、電子順磁共振譜和電化學測量,發現這些鈣鈦礦氧化物中氧空位的數量與它們對NRA催化的活性驚人地遵循相同的順序(LaCrO3<LaMnO3<LaFeO3<LaCoO3)。
劉天西/張龍生Small:富氧空位鈣鈦礦作為高效硝酸還原成氨電催化劑的研究
通過DFT計算,以了解促進選擇性NH3合成的LaCoO3鈣鈦礦中氧空位的來源。其中,LaCoO3的(110)面具有更穩定的熱力學特性。
本文構建了不含氧空位的LaCoO3(110)模型和含氧空位的LaCoO3-x(110)模型,計算它們的NRA通路吉布斯自由能(ΔG)。
NO3?被吸附在LaCoO3(110)表面,其中NO3?的O1原子與表面配位的不飽和Co原子結合,而其他兩個氧原子則暴露在外。然后,*NO3被H+和e?還原為*HNO3,自由能下降。
下一個質子-電子還原反應將帶走O3和H原子生成*NO2和H2O,這需要1.06 eV的上坡能壘。形成的*NO2轉化為*HNO2,下一步從*HNO2生成*NO需要0.90 eV的上坡能壘。
劉天西/張龍生Small:富氧空位鈣鈦礦作為高效硝酸還原成氨電催化劑的研究
LaCoO3(110)上NRA通路的速率決定步驟(RDS)是*HNO3還原為*NO2。對于LaCoO3?x(110)模型,當*NO3的O1原子在氧空位位置上翻轉后,O2原子將與相鄰的不飽和Co原子結合。N-O1鍵被質子-電子反應打破,生成*HNO3
在LaCoO3?x(110)模型上,將*HNO3還原為*NO2所需的自由能呈下降趨勢。在LaCoO3?x(110)模型上,NRA通路的RDS為*HNO2還原為*NO,坡上能壘為0.31 eV。LaCoO3?x(110)模型的副產物NO2和HNO2的生成被熱力學抑制。
劉天西/張龍生Small:富氧空位鈣鈦礦作為高效硝酸還原成氨電催化劑的研究
Perovskites with Enriched Oxygen Vacancies as a Family of Electrocatalysts for Efficient Nitrate Reduction to Ammonia. Small, 2022, DOI: 10.1002/smll.202205625.
https://doi.org/10.1002/smll.202205625.

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