王海辉&Gao-Feng Chen Angew.：硝酸盐还原实现硝酸锌电池高效氨合成和能量供应！

 1

研究内容

硝酸盐（NO3-）的水电催化还原为NH3（NitrRR）是一种适用于NH3生产和潜在能量储存的可持续途径。然而，NitrRR涉及直接八电子转移过程，通常需要较大的过电位（<-0.2 V vs RHE）才能达到最佳效率。

受生物硝酸盐呼吸的启发，马克斯·普朗克胶体与界面研究所Gao-Feng Chen博士和清华大学王海辉教授通过模拟细菌中硝酸盐呼吸的两阶段过程，提出了一种具有[2+6]-电子通路的间接电催化NitrRR，并使用Cu纳米线阵列催化剂实现。该系统实现了亚硝酸盐合成（+0.2V vs.RHE）和氨合成（+0.1 V vs. RHE）的低过电位，法拉第效率（FE）分别为91.5%和100%。此外，Zn-NO3-电池实现了高效的能量供应，最高输出电压为0.70V，在10mA cm-2下的能量密度为566.7WhL-1，功率密度为14.1mW cm-2。相关工作以“Enabled Efficient Ammonia Synthesis and Energy Supply in a Zinc-nitrate Battery System by Separating Nitrate Reduction Process into Two Stages”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

 2

研究要点

要点1. 作者提出并展示了一种清洁的铜催化剂电极，该电极通过模拟优化的生物硝酸盐呼吸，通过两阶段过程完成NO3-的[2+6]-电子还原为NH3。NitrRR沿着[2+6]-电子途径分为两个阶段，以缓解动力学障碍。

要点2. 该催化剂系统具有相对较低动力学势垒，可在+0.2 V和+0.1 V vs. RHE的电势下，NO2生成的法拉第效率（FE）为91.5%，NH3合成的FE为接近100%。综合能耗为17.7 kWh kg-1。

要点3. 作者通过将硝酸盐阴极与锌阳极（Zn-NO3-电池）组合来组装水电池。得益于分级[2+6]-电子路径，Zn-NO3-电池实现了高效的能量供应。最高输出电压为0.70 V，在10 mA cm-2下的能量密度为566.7 Wh L-1，功率密度为14.1 mW cm-2。

这一基于设计加速硝酸盐还原动力学的两阶段工艺的生物启发策略能够同时实现高效和经济的系统，用于硝酸盐现场生成氨和远程能源供应。该体系可以推广到非金属盐的其他多重电子转移反应。

 3

研究图文

图1.通过模拟生物硝酸盐呼吸的两阶段还原过程以完成[2+6]-电子途径，在较低的过电位下实现有效的氨生产。

图2. NitrRR活性位点的结构表征和鉴定。

图3. 通过密度泛函理论计算验证NitRR的Cu活性位点并理解NitRR过程的[2+6]-电子途径。

图4. 混合水性Zn-NO3-和Zn-NO2-电池的电化学性能。

 4

文献详情

Enabled Efficient Ammonia Synthesis and Energy Supply in a Zinc-nitrate Battery System by Separating Nitrate Reduction Process into Two Stages

Haifeng Jiang, Gao-Feng Chen,* Oleksandr Savateev, Jian Xue, Liang-Xin Ding, Zhenxing Liang, Markus Antonietti, Haihui Wang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI:10.1002/anie.202218717