EES：Cu2O在超低电位下实现阴极硝酸还原与阳极甲醛氧化

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EES：Cu2O在超低电位下实现阴极硝酸还原与阳极甲醛氧化
合成氨(NH3)工业对于人类农业至关重要，通过Haber–Bosch工艺进行的大规模NH3合成促进了粮食的生产，养活了越来越多的人口。然而，Haber–Bosch工艺消耗了全球约2%的能源，造成了全球1.6%的二氧化碳排放，导致了相当大的能源损失和环境问题。
近年来，直接电催化还原硝酸盐(NO3–)生成NH3因其反应条件温和、能量低而受到广泛关注。低温等离子体处理N2和O2形成NOx(包括NO3–)是提供充足NO3–的突破点。因此，通过电催化将NO3–转化为NH3提供了一种解决能源和环境问题的潜在技术，并有望在未来取代Haber-Bosch工艺。
然而，缓慢的阳极析氧反应(OER)动力学需要较大的过电位(>1.23 V vs. RHE)，严重限制了电催化阴极NO3–还原反应(NO3–RR)的效率。
基于此，电子科技大学董帆等人研究了一种HCHO氧化反应(FOR)，可以有效的替代OER。
EES：Cu2O在超低电位下实现阴极硝酸还原与阳极甲醛氧化
研究发现，在较低的电位(起始电位低至-0.03 VRHE)作用于Cu2O电极时，在Cu2O电极上可以实现超低电位的HCHO氧化反应。在此过程中，HCHO通过电催化氧化脱氢途径转化为HCOOH和H2。在>0.42 VRHE时，催化剂发生串联反应，Cu2O(CuI)在正电的作用下不断转化为Cu(OH)2(CuII)，而HCHO则迅速将Cu(OH)2还原为Cu2O。
值得注意的是，Cu2O电极保持稳定，HCHO氧化反应通过电催化氧化脱氢途径进行，由于串联反应的影响，阳极FOR在0.81 VRHE下达到300 mA cm-2的电流密度。更加重要的是，Cu2O具有出色的NO3–RR性能，在1.0 V的超低电压下，催化剂能实现100%的转化率(NO3–→NH3，0.14 mmol cm-2 h-1)，其法拉第效率为99.77%。
令人惊喜的是，与OER相比，动力学有利的FOR使FOR/Cu2O耦合NO3–RR/Cu2O体系只需要低至-0.19 V的电势就能达到10 mA cm-2的电流密度，比OER/Pt耦合NO3–RR/Cu2O体系低1.9 V，这表明本研究为转化技术开发提供了一种新的策略。
EES：Cu2O在超低电位下实现阴极硝酸还原与阳极甲醛氧化
综上所述，本文开发了一种合理的策略，通过电催化氧化脱氢途径使HCHO在超低起始电位下氧化。此外，本文通过构建Cu2O和HCHO之间的串联反应来稳定电催化氧化脱氢途径，克服了Cu基催化剂上醛氧化失活的挑战，这种新策略还降低了串联反应的起始电位。除此以外，本文还利用非原位XRD、XPS和原位拉曼光谱，确定了该串联反应为立方Cu2O电催化氧化为正交Cu(OH)2，Cu(OH)2在HCHO的作用下再自发还原为Cu2O。
更重要的是，本文的各种表征和测试结果表明Cu2O是电催化氧化脱氢途径和串联反应的真正活性位点。总之，该技术对于推进NO3–电催化还原工艺替代Haber-Bosch工艺以及可持续化学合成的发展具有重要的现实意义。
EES：Cu2O在超低电位下实现阴极硝酸还原与阳极甲醛氧化
Coupling Electrocatalytic Cathodic Nitrate Reduction with Anodic Formaldehyde Oxidation at Ultra-Low Potential over Cu2O, Energy & Environmental Science, 2023, DOI: 10.1039/d3ee00635b.
https://doi.org/10.1039/D3EE00635B.

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/06/954aeb5f4e/

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