中南/慕尼黑大学ACS Nano：Ag纳米针阵列高效电催化N2转化为NH3

电催化N₂还原反应(eNRR)制氨为Haber-Bosch法提供了一种有前景的碳中性和可持续的氨合成替代方法。然而，非极性N₂具有显著的热力学稳定性，需要超高能量才能破坏N≡N键。

基于此，中南大学刘敏、刘康和德国慕尼黑大学Emiliano Cortés等设计了一系列具有局部增强电场(LEEFs)的银纳米针阵列(Ag NN)，以实现有效的氨电合成。

有限元分析(FEM)模拟显示，在0.030 nm^-1(Ag NNs-30)、0.080 nm^-1(Ag NNs-80)和0.145 nm^-1(Ag NNs-145)的尖端曲率下，由Ag NNs诱发的不同LEEF从1.72×10⁴kV m^-1增加到3.83×10⁴kV m^-1，甚至增加到6.79×10⁴ kV m^-1，这比闪电引发的LEEF数量级更高。

密度泛函理论(DFT)计算表明，LEEFs可以促进N₂中两个氮原子上的电荷极化，向惰性N₂分子的反键轨道提供大量电子，降低N₂第一步质子化能垒。原位拉曼实验表明，该催化剂与N−N和N−H中间体有较强的化学相互作用，证明了LEEFs对N≡N键的断裂和N₂质子化的重要作用。

电化学化能测试结果显示，在水相体系中，eNRR和竞争性析氢反应(HER)的的动力学速率随着LEEF的增加而增加，通过对LEEF的调整(3.83×10⁴ kV m^-1)，能够有效抑制竞争性HER反应。

因此，优化后的Ag NNs-80在-0.3 V_RHE时的氨产率和法拉第效率分别为10.2±0.5 μg h^-1cm^-2和72.3±4.0%，其FE值分别是Ag薄膜、Ag纳米颗粒、Ag NNs-30和Ag NNs-145的6.1倍、5.2倍、1.9倍和1.6倍。

综上，该项工作为电催化反应提供了一类有前景的催化剂，并为LEEFs在电催化中的应用提供了指导。

Boosting Nitrogen Activation via Ag Nanoneedle Arrays for Efficient Ammonia Synthesis. ACS Nano, 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c08853

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