可再生能源行业的发展和农业对肥料的持续需求催生了使用低成本、环境友好型技术可持续生产氨 (NH3) 的需求。电催化硝酸盐（NO₃^-）还原反应（NO₃ RR）具有改善环境氮管理和合成养分回收的潜力。然而，NO₃RR 经常受到 NO₃^- 转化不完全、反应动力学缓慢和析氢反应 (HER) 抑制的阻碍。受单原子催化剂可调节的特定局部电子结构的启发，这项工作提出了一种将铁单原子 (FeSA) 固定在 MXene 上的纳米混合电催化过滤器。制造的 FeSA/MXene 过滤器表现出最大的 NH₃ 法拉第效率和选择性（分别为 82.9 和 99.2%），高于由锚定在 MXene 上的 Fe 纳米颗粒制成的过滤器（FeNP/MXene）（分别为 69.2 和 81.3%）和 MXene单独使用时（分别为 32.8 和 52.4%），在初始 pH 值为 7 和施加电位为 -1.4 V（相对于 Ag/AgCl）时测量。密度泛函理论计算表明，与 FeNP/ MXene 过滤器相比，FeSA/MXene 过滤器防止了 HER 的竞争，并降低了势能限制步骤（*NO 到 *NHO）的活化能，这使得 NH₃ 合成在热力学上有利。这项工作强调了一种替代策略，可实现协同 NO₃^- 去除和营养物回收，并具有持久的催化活性和稳定性。
 
Fig 1.电化学过滤器的合成和表征。 (a) FeSA/MXene 过滤器的合成示意图。 (b) FeNP/MXene 过滤器的高分辨率 TEM 图像。 (c) 高分辨率 TEM，(d) HAADF-STEM 图像，以及 (e) FeSA/MXene 滤光片的 EELS 光谱。
 
Fig 2. FeSA/MXene 过滤器的结构分析。 (a) FeSA/MXene 的高分辨率 Fe 2p。 (b) Fe K 边缘的 XANES 光谱。 (c) Fe K 边缘处 EXAFS 光谱的 FT k³ 加权 χ^(k) 函数。 (d) FeSA/MXene 在 R 空间中的 EXAFS 光谱的拟合结果和 (e) FeSA/MXene 的 Fe K 边缘的小波变换图，参考 Fe 箔和 Fe₂O₃。
 
Fig 3.电化学硝酸盐（NO₃⁻）去除性能。 (a) FeSA/MXene、FeNP/MXene 和 MXene 过滤器在 0.1 mol L⁻¹ Na₂SO₄ 电解质中的 LSV 曲线。 (b) 不同过滤器的 NO₃ ⁻ 去除效率、NH₃ 选择性和法拉第效率。反应条件：初始NO₃^-−N浓度：50mg·L⁻¹；电势：−1.4 V vs Ag/AgCl；电解质：0.1 mol·L⁻¹ Na₂SO₄； t = 10 小时；初始 pH = 7。(c) CV 曲线，(d) 存在 100 mg L⁻¹ NO₃^-−N 时的塔菲尔图，(e) 计算的 Cdl，以及 (f) FeSA/MXene、FeNP/MXene 的奈奎斯特图和 MXene 过滤器。
 
Fig 4. (a) FeSA/MXene 过滤器的电势相关法拉第效率、NO₃⁻ 去除率和 NH₃ 选择性。 (b) FeSA/MXene 过滤器在不同 NO₃^- 浓度下的最高法拉第效率和 NH₃ 选择性的比较。 (c) FeSA/MXene 过滤器在具有不同浓度 NO₃ ^- 的 0.1 mol L⁻¹ Na₂SO₄ 电解质中的 NH₃ 产率。 (d) 使用Na¹⁵NO₃和Na¹⁴NO₃作为氮源进行电催化NO₃RR反应后电解质的1 H NMR谱。
 
Fig 5. (a) FeSA/MXene、FeNP/MXene 和 MXene 过滤器在氩气气氛下、0.1 mol·L⁻¹ Na₂SO₄ 电解质中在 -1.4 V 下电催化 10 分钟后获得的溶液的 EPR 谱。 (b) FeSA/MXene、FeNP/MXene 和 MXene 过滤器在氩气下、0.1 mol L⁻¹ Na₂SO₄ 电解质和 50 mg L₋₁ NO₃^- -N 中，在 -1.4 V 下 NO₃RR 10 分钟后获得的溶液的 EPR 谱气氛。 (c) FeSA/MXene 和 FeNP/MXene 上硝酸盐还原为 NH₃ 和 H₂ 析出反应的吉布斯自由能图（右上）。 (d) FeSA/MXene 和 FeNP/MXene 过滤器上电催化还原硝酸盐的拟议机制。
 
        相关研究工作由东华大学 Yanbiao Liu 课题组于2023年在线发表在《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。

转自《石墨烯研究》公众号