苏州大学纳米科学技术学院江林

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最近，以氮气和水为反应物合成氨气的电化学氮还原（NRR）反应为替代传统工业中的Harber-Bosch工艺提供了一种极具前景的可供选择的方式。其中，贵金属Au催化剂具有较高的N-H结合力和导电性，表现出了优异的NRR性能。研究者们通过调控Au的形貌、晶体结构和晶面等来提升其氨产率和法拉第效率。然而，由于激烈的HER竞争反应，目前报导的基于贵金属Au电催化剂的氨产率和法拉第效率还远远没有达到应用的要求。

       在NRR中，一个不可忽略的事实是N2在电解液中溶解度较低，因此催化剂附近的N2分子浓度较低，导致NRR性能不佳。与此同时，电解液中质子浓度较高，致使激烈的HER竞争反应。因此，增加催化剂附近的N2分子浓度和降低质子浓度是一种有效提升NRR性能的策略。最近，疏水性界面在气体参与和产生的反应中受到广泛关注，因为它能够提供快速的气体扩散路径，在催化剂表面供给充足的反应气体，在界面处产生大量的气、固、液三相充分接触的位点。此外，由于水与疏水性界面不能充分接触，在疏水性界面处的质子浓度会较低。因此，在疏水性界面处设计三相催化剂是一种有效的提升NRR性能和同时抑制HER性能的有效方法。
       近日，苏州大学江林教授课题组、孙迎辉教授和东莞理工学院曲江英教授课题组合作，利用原位生长的方法在疏水性碳纸上构建了Au三相电催化剂（Au/o-CFP）实现了高性能的NRR。碳质的疏水性界面为反应提供了大量的三相接触点，有效的增加了催化剂表面的N2分子浓度，降低接触的电解液质子浓度。此外，N2气泡接触角的表征结果证明疏水性界面具有更强的N2结合力。相比于亲水性界面催化剂（Au/i-CFP），Au/o-CFP表现出优异的NRR性能，氨产率达到40.6 μg h-1 mg-1，法拉第效率为31.3%。此外，循环伏安实验证实了疏水性界面有效的抑制了HER反应。这一工作为同时提升NRR性能和抑制HER反应提供了一种新的思路。相关结果发表在Advanced Science （DOI ：10.1002/advs.202002630）。
       本工作得到了国家优秀青年科学基金项目的支持。