等離子體-電解串聯(lián)系統(tǒng)能夠在常溫條件下通過(guò)“空氣→NOx→NOx-→NH3”這一途徑利用空氣和水制取氨氣。然而，由于在等離子體產(chǎn)生與電催化轉(zhuǎn)化之間缺乏工藝強(qiáng)化，NH3的產(chǎn)量受到了限制。

西安交通大學(xué)楊貴東教授、歐鴻輝研究員等人報(bào)道了一種富含孿晶界（TBs）和層錯(cuò)（SFs）的改性鈷陰極（TB/SF-Co），用于選擇性還原NO2-。機(jī)理分析表明，TB/SF缺陷使Co的d軌道中心上移，增強(qiáng)了NO2-的吸附，并促進(jìn)了中間體的加氫反應(yīng)。該材料在部分電流密度為-1.73 A cm-2時(shí)，實(shí)現(xiàn)了96.7%的NO2-轉(zhuǎn)化為NH3的法拉第效率。

將富含孿晶界和層錯(cuò)的鈷陰極與微波等離子體模塊耦合，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的合成氨，在100 cm2的平行電解槽中，總電流超過(guò)101 A時(shí)，空氣轉(zhuǎn)化為NO2-的速率為0.745 mol h-1，NO2-轉(zhuǎn)化為NH3的速率為0.619 mol h-1，法拉第效率超過(guò)95%。

相關(guān)工作以《Ampere-level ammonia synthesis through grain boundary engineering》為題在《Nature Synthesis》上發(fā)表論文。

圖文介紹

圖1 活性表面篩選

為了便于進(jìn)行合理的電催化劑設(shè)計(jì)，對(duì)采用微波等離子體空氣活化（MPAA）方法后在堿性吸收溶液中產(chǎn)生的產(chǎn)物分布情況進(jìn)行了定量分析。NO2-占總NOx-物種的98.5%，這表明它是主要的反應(yīng)物，也突顯了需要具有快速NO2-轉(zhuǎn)化為NH3動(dòng)力學(xué)的催化劑。因此，對(duì)四種非貴金屬過(guò)渡金屬（Fe、Co、Ni 和 Cu）進(jìn)行了初步篩選。電化學(xué)結(jié)果（圖1b、c）表明，Co具有更低的起始電位、更高的陰極電流密度和更高的NH3產(chǎn)率，同時(shí)在較寬的電位窗口內(nèi)保持大于90%的法拉第效率，這確立了Co作為NO2-還原的有前景的候選材料。

為了進(jìn)一步篩選具有更高催化潛力的協(xié)同活性表面，利用DFT來(lái)研究具有不同原子堆疊序列的鈷結(jié)構(gòu)。除了常規(guī)的緊密堆積相——面心立方(fcc)-Co（ABCABC）和六方緊密堆積(hcp)-Co（ABABAB）之外，還研究了由缺陷衍生出的具有特定堆疊序列的結(jié)構(gòu)，包括一種連續(xù)的TB（ABCACBA，TB-Co）結(jié)構(gòu)和一種內(nèi)在的SF（ABCBCABC，SF-Co）結(jié)構(gòu)。d 帶中心（εd）模型可作為評(píng)估過(guò)渡金屬與中間體之間的結(jié)合能和催化相互作用的可靠指標(biāo)。PDOS分析（圖1e）顯示，TB-Co的d帶中心（-1.33 eV）和SF-Co的d帶中心（-1.30 eV）比f(wàn)cc-Co（-1.44 eV）和hcp-Co（-1.37 eV）的更接近費(fèi)米能級(jí)（Ef），這表明反應(yīng)中間體的吸附強(qiáng)度有所增強(qiáng)。同樣地，對(duì)于*NO2吸附的吉布斯自由能計(jì)算（G*NO2）表明，TB-Co和SF-Co表面具有熱力學(xué)上的優(yōu)勢(shì)（圖1f），有力地表明TB和SF位點(diǎn)構(gòu)成了高效還原NO2-的高活性中心。

圖2 TB/SF-Co催化劑的表征

Ampere-level ammonia synthesis through grain boundary engineering，Nature Synthesis，2026.

https://www.nature.com/articles/s44160-026-01026-3

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