氨（NH3）作为最有用的化学品之一被广泛应用于工业、塑料和农业等领域，然而传统的Haber-Bosch工艺合成氨由于其需要高温高压（ 300-500 °C 、150-200 atm ）的条件，并不利于绿色能源可持续发展。因此在常温常压下使用电催化还原N2至NH3（NRR）成为了科学家们研究的热点。然而，在低电位下实现高产氨量和高法拉第效率仍然是电催化NRR的一大挑战。
近日，青岛科技大学王磊&赖建平课题组设计开发了一种新型的化学耦合NiCoS/C纳米笼作为氮还原电催化剂。由于强化学耦合作用和其独特的纳米笼结构，这种电催化剂在超低电位0 V (vs. RHE) 时，可以获得26.0 μg h-1 mg-1的高NH3产量和12.9％的法拉第效率。值得注意的是，随着电势的增加，在-0.2 V (vs. RHE) 时产氨量达到最高，为58.5 μg h-1 mg-1（5.85 μg h-1cm-2）。催化反应路径的密度泛函理论（DFT）模拟计算表明，C和NiCoS之间强化学偶合作用的存在不仅可以促进N2的吸附，抑制HER，而且可以加速*NNH的形成（决速步骤），促进NH3的释放，从而实现了低过电位时的高NRR性能。这项工作为设计化学偶合的电催化剂以及在低过电位下实现高电化学性能提供了新思路。
图1 NiCoS/C纳米笼的形成过程示意图。
图2 化学耦合NiCoS/C 纳米笼的形貌表征。（a，b）是NiCoS/C纳米笼的TEM图像，（c）NiCoS/C纳米笼的EDX mapping图像。
图3 电化学性能测试。（a）NiCoS/C纳米笼在Ar和N2饱和的0.1 M Li2SO4溶液中的LSV曲线；（b）不同电位下1h的时间电流曲线；（c）电解液在不同电压下产生的氨的紫外可见吸收光谱；（d）NiCoS/C纳米笼在不同电压下的氨产量和法拉第效率。
图4 NiCoS/C和NiCoS催化剂的DFT计算。
这一成果近期发表在Journal of Materials Chemistry A 上，该文章的通讯作者为青岛科技大学王磊教授和赖建平教授，共同第一作者为青岛科技大学的硕士生吴雪珂、博士生王作超和博士生韩艺。该工作得到了国家自然科学基金面上项目，山东省自然科学杰出青年基金，泰山学者优势特色学科人才团队和青岛科技大学生态化工重点实验室开放课题等支持。
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Chemically coupled NiCoS/C nanocages as efficient electrocatalysts for nitrogen reduction reactions
Lei Wang, XueKe Wu, ZuoChao Wang, Yi Han, Dan Zhang, MingHui Wang, HongDong Li, Huan Zhao, Yue Pan, JianPing Lai
J. Mater. Chem. A, 2020, DOI:10.1039/C9TA10142J
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