河北工业大学李春利教授/刘加朋副教授Angew：多维Ni@TiN/CNT异质结构发挥串联催化用于高效亚硝酸盐电化学还原为氨

第一作者（或者共同第一作者）：崔志杰、赵鹏威

通讯作者（或者共同通讯作者）：李春利、刘加朋

通讯单位：河北工业大学

论文DOI：10.1002/anie.202501578

【全文速览】

电化学亚硝酸盐还原反应（NO₂RR）被认为是一种可持续的氨合成策略。然而，设计高效的NO₂RR催化剂仍然面临重大挑战。本文采用熔盐蚀刻和化学气相沉积相结合的方法，在MXene衍生的TiN上构建了碳纳米管（CNT）封装的Ni纳米颗粒（Ni@TiN/CNT）异质结构。Ni@TiN/CNT在−0.7 V vs. RHE下表现出优异的NH₃产率（15.6 mg h⁻¹ mg_cat.⁻¹）、法拉第效率（95.6%）和令人满意的循环稳定性（60次循环后NO₂RR性能几乎不衰减）。此外，以Ni@TiN/CNT为阴极的Zn-NO₂⁻电池具有较高的功率密度（9.6 mW cm⁻²）和NH₃合成性能。结合原位电化学红外和微分电化学质谱表明亚硝酸盐在催化剂表面的还原遵循*NOH路径。另外，一系列的验证实验和密度泛函理论计算表明Ni@TiN/CNT遵循串联催化机理。TiN位点优先吸附和活化NO₂⁻，而Ni位点为后续还原过程提供丰富的活性氢。同时，CNT的铠甲结构防止了活性位点的氧化和浸出，从而显著提高了Ni@TiN/CNT的】稳定性。本研究为制备具有串联催化位点的耐用和高效的NO₂RR电催化剂提供了新的思路。

【背景介绍

氨（NH₃）作为一种高附加值的化合物，在医药、农业、化工等领域有着广泛的应用。更重要的是，NH₃是一种无碳能量载体，氢含量高（17.6 wt%），在保证燃烧效率的同时减少了碳排放。目前，NH₃的工业生产主要依赖于高能耗的Haber-Bosch工艺（HBP）。由于高温（400 ~ 600℃）和高压（20 ~ 60 MPa）的运行条件，HBP消耗了全球能源消耗的2%并排放了大量的二氧化碳。为了加速实现碳中和和降低能源成本，迫切需要探索一种高效、可持续的NH₃合成策略。近年来，电化学还原含氮物质为NH₃因其低能耗、操作简单、无二次污染等优点引起了广泛的研究兴趣。亚硝酸盐（NO₂⁻）作为一种含氮物质，广泛存在于工业废水中，被认为是一种毒性明显高于硝酸盐（NO₃⁻）的致癌物。鉴于NO₂⁻对健康的严重危害，需要加强对亚硝酸盐还原反应（NO₂RR）的关注。然而，NO₂RR系统中阳极的析氧反应（OER）消耗了电催化系统中90%的输入能量并产生了低价值的氧气。基于NO₂⁻的高理论还原电位和电催化过程中丰富的电子转移，可以将锌（Zn）的沉积/溶解反应代替OER组装成Zn-NO₂⁻电池，同时实现供能、去除NO₂⁻污染物和NH₃的合成。

【本文亮点】

1. 1. 熔盐刻蚀后残余的Ni纳米颗粒被巧妙利用成CNT�