钴基金属催化剂的制备及其电还原硝酸根性能的探究.pdfVIP

摘要

硝酸根（NO3−）是一种存在于地表水中的主要含氮污染物。近年来，广泛的

人类活动导致NO3−在水体中的浓度逐渐上升，引发一系列环境问题，甚至对人类

健康构成威胁。电化学NO3−还原是解决这样的问题的最优解，采用可再生电力驱

动，以电子作为绿色还原剂，水作为质子源，将NO−电化学转化为氨（NH）。

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NH3不仅是世界第二大化学原料，还是一种理想的能源载体。因此，秉持着变废

为宝的理念，通过电化学还原反应将NO−选择性地转化为NH对于社会发展具有

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深远意义。但是电化学硝酸根还原反应（NO–ReductionReaction,NORR）涉及

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多电子/质子转移，反应路径复杂。故若想要NORR过程能生成目标产物NH，

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设计制备高效、高选择性的催化剂至关重要。Co基金属催化剂具有无毒性、广泛

可用性和低成本等优点，是近年来发展起来的一种很有前途的NORR电极材料。

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本文主要设计制备了三种金属Co纳米材料，并系统探究了其作为NORR阴极时

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的性能，主要研究内容如下：

（1）采用原位热解生长的方法制备了Co与氮掺杂碳纳米管（NCNT）的杂

化物Co-NCNT，并将其应用于电催化NO−还原制NH反应。当电势为−0.6V时，

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Co-NCNT的NH3产率高达2998μgh−1mgcat.−1，法拉第效率（FE）为92%，并表

现出优异的电化学稳定性。此外，密度泛函理论计算显示催化活性位点的金属

Co(111)晶面上NO−还原的能量势低于其他晶面，更有利于NORR。

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（2）考虑到金属有机框架（MOF）材料作为合成金属-氮/碳复合材料的理想

前驱，具有大比表面积，孔隙率高，可暴露大量的活性位点等优点，故利用Co2+

为金属中心，腺嘌呤（Ade）为有机配体，结合形成Co-AdeMOF，并经过后续高

温热解处理合成Co与氮掺杂碳（NC）的复合物Co@NC，用于高效催化NO3−还

原。这种Co@NC表现出优异的电催化NO3−还原性能，在含有0.1MNO3−的0.1

MNaOH中，能达到较高的FE（96.5%）和NH3产率（758.0μmolh−1mgcat.−1)。

（3）采用动态氢气泡模板辅助的电沉积方法在钛片基底的表面构建具有纳

米片二级单位结构的三维多孔泡沫状Co阵列（Cofoam/TP），用作NO3−电还原制

NH3的高效催化剂，其在−0.4V下NH3产率高达600.6μmolh−1cm−2，FE高达

96.5%。以Cofoam/TP为阴极组装的Zn-NO3−电池，功率密度为6.8mWcm−2，

NH3产率为111.0μmolh−1cm−2。

关键词：金属Co纳米催化剂，硝酸根还原，氨的电化学合成

ABSTRACT

Nitrate(NO3−)standsasaprimarynitrogenpollutantpre