電催化氮氧化反應(NOR)綠色合成硝酸鹽(NO
3−)是一種很有前景的人工固氮策略，與傳統的Haber-Bosch和Ostwald法合成硝酸鹽相比具有很大的優勢。但較差的N
2吸收率、N≡N (941 kJ·mol−1)的高鍵能和競爭性的多電子轉移析氧反應(OER)限制了活性和選擇性。在此，我們制備了基于MXene的不規則TiO
2−x納米顆粒錨固銅納米線(Cu-NWs)電極，實現了高效的電催化氮氧化，其NO
3-產率為62.50 μg·h
−1·mg
cat−1，法拉第效率(FE)為22.04%，在真空輔助下顯著提高了NO
3-產率為92.63 μg·h
−1·mg
cat−1,FE為40.58%。TiO
2−x/Cu-NWs電極在最佳實驗條件下也顯示出優異的再現性和穩定性。此外，以TiO
2−x/Cu-NWs為陽極，Zn板為陰極組裝了Zn-N
2反應裝置，獲得了極高的NO
3-產率(156.25 μg·h
−1·mg
cat−1)。硝酸鋅電池的開路電壓為1.35 V。這項工作為提高環境N
2氧化性能以獲得更高的NO
3-產率提供了新的策略。
圖1. (a) TiO
2−x納米顆粒層狀MXene的SEM圖像，(b)銅納米線結構，和(c)涂有TiO
2−x納米顆粒的銅納米線。(d) Ti、Cu的HRTEM圖像和((e)-(g)) EDX元素映射以及兩種元素的重疊。(h) TiO
2−x/Cu-NWs的XRD圖案。(i) Ti 2p和(j) Cu 2p的高分辨率光譜。
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圖2. (a)在施加電勢從1.56 V到1.96 V的n2飽和和ar飽和0.1 M KOH電解質中TiO2−x/Cu-NWs電極的LSV曲線(插圖:NOR反應的電勢范圍的放大視圖)。(b)不同電位時安培曲線。(c)不同電位下的NO3 -產率和FE。(d)可重復性試驗。(e)循環穩定性試驗。(f)長期穩定性試驗。
圖3. (a)具有或不具有真空過濾輔助的TiO
2−x/Cu-NWs電極在N
2 -飽和0.1 M KOH電解質中的NOR性能的比較。經真空過濾輔助步驟(b)重復性試驗和(c)循環穩定性試驗。(d) TiO
2−x/Cu-NWs與報告的催化劑的NOR性能比較。(e) TiO
2−x/Cu-NWs的NOR實驗示意圖。
圖4. (a)鋅-N
2電池和(b)硝酸鋅電池的示意圖說明。(c) TiO
2−x/Cu-NWs基硝酸鋅電池的OCV。(d)電荷試驗和NO
3-在不同電流密度下的產率。(e) TiO
2−x/Cu-NWs基硝酸鋅電池的恒流充放電循環曲線。(f) LED燈用組裝的硝酸鋅電池照明。
相關科研成果中國海洋大學化學化工學院Wentai Wang和Qin Li等人于2023年發表在Nano Research（https://doi.org/10.1007/s12274-023-6126-8）上。原文：Copper nanowires decorated with TiO
2−x from MXene for enhanced electrocatalytic nitrogen oxidation into nitrate under vacuum assistance。
原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-023-6126-8
轉自《石墨烯研究》公眾號
