港城大支春义教授团队EES: “一箭双雕”——锌-硝酸根电池用于电化学氨合成和电能输出

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第一作者:Guo Ying
通讯作者:支春义
通讯单位:香港城市大学

(光)电化学N2还原制NH3,由于N2溶解度极低以及高解离能的N≡N键,极大地限制了其发展前景。硝酸盐电还原(NORR)制备NH3具有N=O键能低、硝酸盐溶解度高等优点,为NH3电合成的发展提供了广阔的前景。此外,NORR是一个8电子转移的过程且硝酸根具有很强的氧化性。基于此,受到锌空气电池的启发,香港城市大学的支春义教授团队,利用Pd掺杂的TiO2纳米阵列(Pd/TiO2)作为催化电极,首次开发了一种硝酸锌电池系统,该电池具有同时合成NH3和对外供电的双重功能,功率密度为0.87mW cm-2,NH3的法拉第效率为81.3%。此外,将Pd/TiO2纳米阵列电极直接作为NORR催化剂,可获得高达1.12 mg cm-2 h-1 NH3产率,92.1% NH3法拉第效率以及99.6%硝酸盐转化率。该工作验证了TiO2中Pd掺杂对促进NORR的积极作用,而且首次提出了锌-硝酸根电池系统,为合成NH3提供了一种有效的策略,并拓宽了锌基电池的应用领域

【详细内容】
图1a-b揭露了Pd/TiO2催化剂具有纳米阵列的形貌特性:直径约200nm的TiO2纳米棒均匀地垂直生长的碳布表面。图1c显示Pd元素成功地掺杂进了TiO2纳米阵列中。图1e中的TEM显示,Pd掺杂后加大了TiO2的晶面间距。
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图1. Pd掺杂TiO2纳米阵列电极的结构与形貌表征。

图2a-c表明,当Pd异质原子掺入TiO2后,会导致TiO2的XRD和XPS特征峰的偏移,同时引起TiO2纳米阵列表面能的降低。图2d-e,电子密度等高线谱和PDOS表明,Pd掺杂确实导致了TiO2电子结构的改变。这些电子结构的改变预示着Pd掺杂后TiO2的催化活性会得到提高。图2g显示,掺杂后的TiO2具有更强的电子捕获能力。表明Pd/TiO2催化剂具有更好的硝酸根还原能力。吉布斯自由能谱也进一步的验证了这一结果:与纯的TiO2纳米阵列催化剂相比,硝酸根还原的各种中间产物在Pd/TiO2表面的吸附能更靠近0,这有利用中间产物的脱附,意味着Pd/TiO2比纯的TiO2具有更高的NORR催化活性。
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2. Pd/TiO2纳米阵列电极的电子结构表征与催化性能的理论分析。

图3a实验结果表明,Pd掺杂后确实提高了TiO2催化剂的电化学活性面积。在含有硝酸根的溶液中,Pd/TiO2催化剂具有更大的还原电流。将Pd/TiO2阵列作为催化电极,组装的锌-硝酸根电池展示出了0.87mW cm-2的功率密度,81.3%的NH3法拉第效率。此外,该电池具有持续放电的功能,经过12小时的放电,NH3的法拉第效率和产率几乎不变,同时还能维持电子表正常工作。
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图3. 锌-硝酸根电池的产NH3性能与电池性能的表征。

更进一步,作者还研究了Pd/TiO2纳米阵列催化剂单纯的硝酸根还原性能。图4表明,在H型电解池中,Pd/TiO2展现出了非常高的硝酸根还原活性,催化剂获得了超高的 NH3 产率,为1.12 mg cm-2 h-1 (或 0.066 mmol cm-2 h-1)和92.1 %的NH3 FE, 以及接近100%的硝酸根转化率(约99.6%)。
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4. Pd/TiO2纳米阵列催化剂单纯的硝酸根还原性能表征。

【总结】
氨对氮基肥料的生产至关重要,而电力是人类社会发展的关键支柱。此项工作成功地制备了一种Pd掺杂的TiO2纳米阵列催化剂,具有优异的电还原硝酸制氨的能力。将该纳米阵列作为催化剂电极,成功地开发了一种全新的锌-硝酸根电池系统,该电池具“一箭双雕”的双功能性,可利用NORR的电子发电并直接产生氨。该工作不仅证实了Pd掺杂对加速 NORR 动力学的积极影响,更重要的是,首次证明了硝酸原电池的可行性,为NH3的生产提供了一个新的策略,拓宽了锌基电池的应用领域。

Guo, Y.; Zhang, R.; Zhang, S.; Zhao, Y.; Yang, Q.; Huang, Z.; Dong, B.; Zhi, C., Pd Doping-weakened Intermediate adsorption to Promote Electrocatalytic Nitrate Reduction on TiO2 Nanoarrays for Ammonia Production and Energy Supply with Zinc-Nitrate Batteries. Energy Environ. Sci. 2021. https://doi.org/10.1039/D1EE00806D

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参考文献: