由于NiO成本低且3d轨道具有可调谐的八电子结构,被公认为是温和条件下电化学氮还原反应(NRR)的有效电催化剂之一.然而,由于过渡金属氧化物电催化剂的电导率相对较低,阻碍了其在该领域的应用.贵金属具有良好的电导率,通常可用于构建异质材料,利用协同作用,来提高载体材料的电导率并改善电催化性能.因此,在氧化镍上嵌入或掺杂具有催化性能的高导电金属是获得高性能NRR电催化剂的一种有效方法.在早期的研究中,由于贵金属基催化剂(Au,Pd和Ru)导电性好,一般都具有较好的电化学NRR活性.值得注意的是,尽管Pt在其它电催化过程中表现出优异的电催化活性,但很少有关于NRR的Pt基电催化剂的报道.这主要是因为Pt基电催化剂具有较强的催化析氢反应活性.因此,研究Pt基NRR电催化剂的结构,以构建高效的Pt基NRR催化剂,是一个有意义且具有挑战性的研究课题.迄今为止,关于Pt/NiO复合材料对NRR催化活性的研究报道较少.基于此,本文使用纯的氧化镍纳米片作为载体来负载不同含量的Pt纳米粒子,利用Pt的高导电性与NiO的可调谐电子特性的协同作用来提高NRR活性.本文通过简单的还原法成功合成了Pt/NiO-NSs,采用透射电镜、X射线光电子能谱(XPS)、密度泛函理论(DFT)计算、紫外可见光谱等表征手段研究了不同Pt负载量对NRR活性的影响.与纯NiO相比,用少量铂纳米粒子(3～10 nm)掺杂氧化镍纳米片(Pt/NiO-NSs)可显著提高纯NiO的法拉第效率(FE)和氨产率,打破了商用Pt基电催化剂几乎没有NRR潜力的普遍观点.电催化实验结果表明,在?0.2 Vvs RHE的0.1 mol/L Na2SO4溶液中,样品Pt/NiO-2表现出20.59μg h?1 mg?1cat.的氨产率和15.56％的FE,分别是相同外加电位下纯NiO纳米片的5倍(3.79μg h?1 mg?1cat)和3倍(5.97％)左右.XPS分析结果表明,Pt/NiO-NSs中Pt的价态为Pt0,Pt2+和Pt4+,其中Pt/NiO-2具有较高含量的高氧化态Pt物种,从而有利于N2化学吸附和活化.DFT结果表明,与纯Pt相比,负载在NiO基底上的Pt纳米粒子的d带电子更接近费米能级,为NRR提供了更有利的电子结构.该研究表明,当Pt负载在合适的基底上时,可成为有效的NRR电化学催化剂.综上,本文为制备高NRR活性的Pt基电催化剂提供了一种新的策略.

铂纳米粒子;氧化镍纳米片;氮还原反应;电催化

熊伟;周敏;李昊;丁朝;张达;吕耀康

武汉工程大学化学与环境工程学院, 湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室, 磷资源开发利用教育部工程研究中心,绿色化工过程教育部重点实验室, 湖北武汉430205, 中国;丹麦科技大学物理系, 林比, 丹麦;武汉科技大学先进材料与纳米技术研究院, 耐火材料与冶金国家重点实验室, 湖北武汉430071, 中国;长江科学研究院, 湖北武汉430071, 中国;浙江工业大学化工学院, 浙江杭州310014, 中国

催化学报

[1]熊伟;周敏;李昊;丁朝;张达;吕耀康-.介孔氧化镍纳米片负载Pt纳米粒子电催化合成氨)[J].催化学报,2022(05):1371-1378

电化学氮还原反应,Vvs,Pt4+

介孔,氧化镍纳米片,电催化合成氨,NiO,3d,道具,可调谐,电子结构,温和条件,NRR,电催化剂,过渡金属氧化物,电导率,贵金属,异质材料,载体材料,电催化性能,金属基催化剂,Au,Pd,Ru,值得注意,催化过程,电催化活性,催化析氢,析氢反应,反应活性,研究课题,迄今为止,高导电性,电子特性,还原法,NSs,透射电镜,光电子能谱,XPS,密度泛函理论,DFT,紫外可见光谱,表征手段,负载量,铂纳米粒子,高纯,法拉第效率,FE,氨产率,商用,化实验,RHE,Na2SO4,1cat,外加电位,价态,Pt0,Pt2+,高含量,高氧,氧化态,N2,化学吸附,附和,带电,费米能级,电化学催化

0.237399