可再生能源行業的發展和農業對肥料的持續需求催生了使用低成本、環境友好型技術可持續生產氨 (NH3) 的需求。電催化硝酸鹽（NO
3-）還原反應（NO
3 RR）具有改善環境氮管理和合成養分回收的潛力。然而，NO
3RR 經常受到 NO
3- 轉化不完全、反應動力學緩慢和析氫反應 (HER) 抑制的阻礙。受單原子催化劑可調節的特定局部電子結構的啟發，這項工作提出了一種將鐵單原子 (FeSA) 固定在 MXene 上的納米混合電催化過濾器。制造的 FeSA/MXene 過濾器表現出最大的 NH
3 法拉第效率和選擇性（分別為 82.9 和 99.2%），高于由錨定在 MXene 上的 Fe 納米顆粒制成的過濾器（FeNP/MXene）（分別為 69.2 和 81.3%）和 MXene單獨使用時（分別為 32.8 和 52.4%），在初始 pH 值為 7 和施加電位為 -1.4 V（相對于 Ag/AgCl）時測量。密度泛函理論計算表明，與 FeNP/ MXene 過濾器相比，FeSA/MXene 過濾器防止了 HER 的競爭，并降低了勢能限制步驟（*NO 到 *NHO）的活化能，這使得 NH
3 合成在熱力學上有利。這項工作強調了一種替代策略，可實現協同 NO
3- 去除和營養物回收，并具有持久的催化活性和穩定性。
Fig 1.電化學過濾器的合成和表征。 (a) FeSA/MXene 過濾器的合成示意圖。 (b) FeNP/MXene 過濾器的高分辨率 TEM 圖像。 (c) 高分辨率 TEM，(d) HAADF-STEM 圖像，以及 (e) FeSA/MXene 濾光片的 EELS 光譜。
Fig 2. FeSA/MXene 過濾器的結構分析。 (a) FeSA/MXene 的高分辨率 Fe 2p。 (b) Fe K 邊緣的 XANES 光譜。 (c) Fe K 邊緣處 EXAFS 光譜的 FT k
3 加權 χ
(k) 函數。 (d) FeSA/MXene 在 R 空間中的 EXAFS 光譜的擬合結果和 (e) FeSA/MXene 的 Fe K 邊緣的小波變換圖，參考 Fe 箔和 Fe
2O
3。
Fig 3.電化學硝酸鹽（NO
3−）去除性能。 (a) FeSA/MXene、FeNP/MXene 和 MXene 過濾器在 0.1 mol L
−1 Na
2SO
4 電解質中的 LSV 曲線。 (b) 不同過濾器的 NO
3 − 去除效率、NH
3 選擇性和法拉第效率。反應條件：初始NO
3-−N濃度：50mg·L
−1；電勢：−1.4 V vs Ag/AgCl；電解質：0.1 mol·L
−1 Na
2SO
4； t = 10 小時；初始 pH = 7。(c) CV 曲線，(d) 存在 100 mg L
−1 NO
3-−N 時的塔菲爾圖，(e) 計算的 Cdl，以及 (f) FeSA/MXene、FeNP/MXene 的奈奎斯特圖和 MXene 過濾器。
Fig 4. (a) FeSA/MXene 過濾器的電勢相關法拉第效率、NO
3− 去除率和 NH
3 選擇性。 (b) FeSA/MXene 過濾器在不同 NO
3- 濃度下的最高法拉第效率和 NH
3 選擇性的比較。 (c) FeSA/MXene 過濾器在具有不同濃度 NO
3 - 的 0.1 mol L
−1 Na
2SO
4 電解質中的 NH
3 產率。 (d) 使用Na
15NO
3和Na
14NO
3作為氮源進行電催化NO
3RR反應后電解質的1 H NMR譜。
Fig 5. (a) FeSA/MXene、FeNP/MXene 和 MXene 過濾器在氬氣氣氛下、0.1 mol·L
−1 Na
2SO
4 電解質中在 -1.4 V 下電催化 10 分鐘后獲得的溶液的 EPR 譜。 (b) FeSA/MXene、FeNP/MXene 和 MXene 過濾器在氬氣下、0.1 mol L
−1 Na
2SO
4 電解質和 50 mg L
−1 NO
3- -N 中，在 -1.4 V 下 NO
3RR 10 分鐘后獲得的溶液的 EPR 譜氣氛。 (c) FeSA/MXene 和 FeNP/MXene 上硝酸鹽還原為 NH
3 和 H
2 析出反應的吉布斯自由能圖（右上）。 (d) FeSA/MXene 和 FeNP/MXene 過濾器上電催化還原硝酸鹽的擬議機制。
相關研究工作由東華大學 Yanbiao Liu 課題組于2023年在線發表在《Environmental Science & Technology》期刊上。Fluidic MXene Electrode Functionalized with Iron Single Atoms for Selective Electrocatalytic Nitrate Transformation to Ammonia，原文：
https://doi.org/10.1021/acs.est.3c02520。
轉自《石墨烯研究》公眾號
