【摘要】 从热力学角度看,虽然NRR和HER都需要相似的理论势,但由于强偶极矩和强N≡N三键的超高键能(键能为940.95 kJ mol−1),NRR只能在比HER更高的过电位下进行。
电催化氮还原反应(NRR)是一种绿色、可持续的NH3生成方法,有可能替代Haber-Bosch方法。众所周知,电催化NRR过程不同于析氢反应(HER)中简单的双电子反应机制,它包含了众多6个质子、6个电子、1个N2的多相反应和复杂的传质过程。
一个不可忽视的事实是,N2在电解质中的溶解度极低,限制了N2分子对NRR过程的供应,而水溶液中的质子(H)在水中容易解离,导致HER竞争激烈[1]。此外,研究表明,大多数催化材料本质上有利于H原子而不是N2分子的吸附,导致大部分表面活性中心和电子被不需要的H原子占据,从而导致选择性差。
从热力学角度看,虽然NRR和HER都需要相似的理论势,但由于强偶极矩和强N≡N三键的超高键能(键能为940.95 kJ mol−1),NRR只能在比HER更高的过电位下进行。因此,在电催化NRR过程的电位窗口中,不良的HER过程往往占主导地位,严重降低了NRR的氨生成速率(RNH3)和法拉第效率(FE)。
面对这一严峻挑战,一个可行的策略是增加催化剂表面的N2浓度,以提高NRR和抑制HER。近年来,疏水界面对气相电化学反应有很大的影响。因为它们可以为气体、催化剂和电解质提供丰富的三相接触点(TPCP)。此外,疏水界面为气体扩散提供了快速通道,为催化剂表面提供了充足的气体。
因此,电化学气体析出过程更可能发生在TPCP的疏水表面,而不是被电解质润湿。
[1] Liu, Y.; Meng, X.; Zhao, Z.; Li, K.; Lin, Y. Assembly of Hydrophobic ZIF-8 on CeO2 Nanorods as High-Efficiency Catalyst for Electrocatalytic Nitrogen Reduction Reaction. Nanomaterials 2022, 12, 2964.
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