Fe-N-C单原子催化剂电催化亚硝酸盐制氨

摘要

[目的]为进一步拓展单原子催化剂在亚硝酸盐还原制氨领域的应用，提出了一种铁-氮-碳（Fe-N-C）单原子催化剂电催化亚硝酸盐还原制氨的新体系.[方法]以二氧化硅为硬模板，2,6-二氨基吡啶为碳氮前驱体，硝酸铁为金属盐，通过“热解-刻蚀”策略制备了Fe-N-C单原子催化剂，并将其应用于亚硝酸盐制氨反应.[结果]多种结构表征结果显示，Fe-N-C催化剂表面的Fe物种呈现高度分散特征并以单原子形式存在.此外，Fe物种的化学环境主要是+2和+3价混合态，且通过与4个吡啶氮配位而稳定存在，即Fe-N-C催化剂的金属中心微观配位环境为Fe-N₄结构.与纯氮碳（N-C）载体相比，本研究制备的Fe-N-C催化剂具有优异的亚硝酸盐还原性能，不仅表现出更高的起始还原电位（0 V vs可逆氢电极）,具有接近100%的产氨法拉第效率和高的氨产率[8.4 mg/（h·cm²）],并且在连续20次催化循环测试中显示出优异的催化稳定性.[结论]本研究制备的Fe-N-C单原子催化剂对亚硝酸盐还原制氨具有优异的电催化活性，其高活性可能来源于对NO₂^-的显著吸附，并进一步促进活性氢参与脱氧加氢过程.该Fe-N-C单原子催化亚硝酸盐还原体系可为后续合成氨的活性中心设计提供指导方向.

关键词

Fe-N-C单原子催化剂 / 电催化 / 亚硝酸盐还原 / 合成氨