《纳米铁在介孔碳中压缩后的电催化选择性硝酸还原成氮》

  • 来源专题:农业立体污染防治
  • 编译者: 季雪婧
  • 发布时间:2018-02-14
  • 过量的养分(氮和磷)是地表水和地下水中最受关注的污染物之一。在此,我们报道了在有序介孔碳(nZVI@OMC)上负载纳米级零价铁以将硝酸根(NO 3-)电催化还原成氮气(N2)。该材料的最大去除能力为315 mg N / g铁,氮的选择性高达74%。Fe-C纳米复合材料通过合成后制备,包括碳表面氧化、铁前体的原位氨预水解和氢还原。所合成的材料具有大的表面积(660-830m 2/g)和小的铁纳米颗粒(3-9nm)均匀分散在碳中孔中。铁负载可以在0-45%的范围内调整。结果表明,电催化反应的反应可以通过控制铁纳米粒子大小、结晶度以及多孔结构来调整。同时,小的、均匀的和稳定的铁纳米颗粒促进快速产生氢以快速裂解N-O键。此外,这种材料可以在重复的实验循环中保持其高性能。结果提出了一种快速和环保的硝酸盐还原和新型纳米零价铁(nZVI)应用的新方法。

相关报告
  • 《铜铟复合纳米线催化剂实现CO2到CO高效稳定还原》

    • 来源专题:中科院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2018-10-26
    • 电化学催化还原二氧化碳(CO2)为碳氢燃料或者其他高价值化学品不仅有利于缓解温室气体效应,同时还能够解决能源问题,因此受到各国研究人员的关注。然而传统高效催化剂均为贵金属,成本高昂,因此开发高效、高选择性的廉价非贵金属催化剂是该领域研究热点。由瑞士洛桑联邦理工学院Andreas Zu?ttel教授牵头的国际研究团队利用湿化学法在铜箔上生长铜纳米线(CuNWs),随后通过氧化还原的方法在CuNWs的表面上沉积一层金属铟(In)薄膜,从而制备出了CuIn复合纳米线催化剂。 扫描电镜表征显示,CuIn纳米线的平均长度为10 μm;通过透射电镜表征显示,该纳米线是由平均粒径10-20 nm纳米铜颗粒组成,表面包裹着一层厚度小于5 nm的In薄膜。研究人员分别对比了CuNWs和CuIn复合催化剂在不同气氛(N2和CO2)饱和的0.1M KHCO3电解质中的电催化性能。在N2氛围下,析氢(H2)反应中CuNWs催化剂显示出的电流密度比CuIn高得多,表示CuIn上强烈抑制H2析出。在CO2气氛下,CuNWs上获得的电流密度(在-0.6至-0.8 V之间的电位区间)比在N2气氛下的电流密度小了50%,其原因是Cu表面上的反应中间体(CO)的吸附,使Cu活性下降。但是,CO2气氛下不会导致CuIn的电流密度降低,反而增加。结果证实了CuIn在CO2存在下显示出比CuNWs更高的电流密度,表明CuIn催化剂在CO2还原方面有着独特的性能。在CO2饱和的0.1M KHCO3溶液中进行恒电位CO2电解催化实验。CuNWs和CuIn在-0.4V至-1.0V的电位范围内显示了不同还原产物的法拉第效率(FE)。CuNWs催化剂显示出典型的火山形状的CO选择性演变, -0.4 V工作电压区间FE从18%增加到-0.6 V时的47%,然后在-0.7 V后降低,CO是主要反应产物。而甲酸(HCOOH)是其副产品,其选择性随着施加电位的降低(-0.4~-1V区间)而线性增加。析氢反应作为CO2催化还原的竞争反应,在整个研究的电位窗口中产生H2,在较低的负电位(-0.4V和-0.5V)下具有高FE(>50%)。相反,对于CuIn催化剂,CO是整个研究范围内唯一的主要还原产物。在相似的实验条件下,其FE在-0.6至-0.8V范围内高达95%,甚至高于其他Cu合金催化剂(CuIn,CuSn等)和贵金属。在恒电势条件下对比CuNWs和CuIn的总电流密度(jtot)和CO部分电流密度(jCO)。CuIn的jtot高于CuNWs催化剂,主要归因于CuIn样品制备期间表面粗糙度增加以及催化中心的独特性质。由于jtot还包括来自HER的电流,因此jCO可以更好地反映催化剂催化还原CO2性能,研究发现CuIn的jCO比CuNWs的jCO高5倍以上。在-0.6V的施加电位下电解测试了CuNWs和CuIn的稳定性。在60小时稳定性测试期间,CuIn产生的总电流密度稳定在1.7 mA/cm2,并且CO FE始终保持在90%以上的数值,展现出极其优异的催化稳定性。研究人员认为CuIn催化剂的长期稳定性可能归因于其对金属杂质的低敏感性。CuNWs电极在CO2饱和电解质中失去其催化活性,而在CuIn的情况下没有观察到这种过程。认为是CuNWs催化反应中间体(CO)分解而形成的石墨碳随时间累积在表面上而导致催化剂失活。通过DFT计算表明,CuIn两种金属的界面显着降低了形成CO2与CO的关键反应中间体*COOH的自由能,也即催化电极对*COOH具有强的吸附力,从而促使CO2催化还原成CO反应的发生。 该项研究设计合成了以铜纳米线为载体的新型低成本铜铟纳米线复合催化剂,具备了优异的催化活性和稳定性,实现了CO2到CO的高效高选择催化还原,为设计开发高效廉价的CO2电催化剂提供了新的研究思路。相关研究工作发表在《ACS Catalysis》。
  • 《调控碳-碳偶联后反应实现高效电催化还原CO2制醇燃料》

    • 来源专题:中科院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2018-09-12
    • 利用可再生能源电力来电催化还原CO2制备醇燃料,不仅有助于应对能源危机,还有助于缓解温室气体效应,从而引起了广泛关注。但是,由于当前催化剂的选择性和活性有限,电催化还原CO2制醇的效率不高,亟需开发高效高选择性的催化剂。多伦多大学Edward H. Sargent教授课题组设计合成了全新的核壳结构的催化剂,并首次通过调控碳-碳(C-C)偶联“后反应”步骤,大幅提升了电催化还原CO2制醇燃料的效率。研究人员首先利用密度泛函理论模拟研究预测核(硫化亚铜)-壳(铜)结构的Cu2S@Cu有利于CO2还原过程中的反应最佳路径,他们发现调控C-C偶联之后的竞争反应能够有效地抑制反应过程中乙烯的形成,从而提高对多碳醇的选择性以及产量。研究人员指出,之所以出现上述模拟结果是因为乙烯和乙醇反应过程中有一个共同的反应中间体*C2H3O,通过催化剂的表面结构调控,可以有效抑制乙烯路径促进乙醇路径;而在Cu2S@Cu纳米颗粒表面带有Cu空位缺陷,这一缺陷吸附的*C2H3O中间体的热力学倾向于向醇类燃料转化。为此,研究人员通过胶体成核方法,设计合成了缺陷可控的Cu2S纳米晶,再利用原位电化学还原的方法,制备出含有Cu空位的核(硫化亚铜)-壳(铜)结构的Cu2S@Cu纳米催化剂。为解决CO2传质限制,研究人员采用流动电解池设备,Cu2S@Cu催化电还原CO2制备多碳醇的法拉第转换效率高达32%,转化速率超过120mA cm-2,是目前已报道的最高电流密度。与纯铜催化剂相比,Cu2S@Cu催化得到的醇/烯烃产物比例提高了6倍。该项研究设计合成了全新的缺陷可控的核壳结构纳米催化剂Cu2S@Cu,实现了C-C偶联后反应调控,从而增强电催化还原CO2催化制多碳醇的选择性和产率,为设计和开发CO2还原合成多碳醇类的高效电催化剂提供了新思路。相关研究成果发表在《Nature Catalysis》。