近日，催化基础国家重点实验室理论催化创新特区研究组(05T8组)肖建平研究员团队和二维材料与能源小分子转化创新特区研究组(05T6组)邓德会研究员团队合作，提出将工业废气和汽车尾气中排放的一氧化氮(NO)电催化还原合成氨气(NH₃)，为脱硝和电催化合成氨提供了新的思路。
　　NO是一种有害的大气污染物，通常来自于化石燃料的燃烧，如火电厂锅炉烟气、汽车尾气等，NO去除在工业烟气处理中是必不可少的。同时，合成氨在工业上是一个重要的化工过程，氨气是化工生产中一种基础的化学物质，可以用来制备化肥、硝酸、炸药等，还可作为燃料电池的燃料。传统的合成氨方法主要是哈-伯法，但此过程在高温高压下才能进行，需要消耗大量的能量。电催化氮气还原合成氨可以在常温常压下进行，但是由于氮气分子非常稳定，氮-氮三键难以断裂，面临着低活性和低选择性的难题，难以得到实际应用。鉴于此，该团队提出将烟气中的NO电催化还原合成NH₃。
　　
　　基于密度泛函理论计算研究，研究人员首先考虑了数十种不同的NO还原反应路径，发现NO还原在热力学上比N₂还原和析氢（竞争反应）都更容易进行。此外，研究人员通过基于描述符的方法筛选出最优的过渡金属催化剂—Cu，电催化动力学计算表明，在Cu(111)表面上，NH₃在不同的还原产物（NH₃、H₂、N₂O和N₂）中的生成能垒最低。NO电催化实验表明，Cu和Pt具有相近的氨气产率，但是Cu的选择性更优。相对于Cu Foil电极，Cu Foam由于具有丰富的孔隙结构，使催化性能得到进一步提高，在电压为-0.9 V时，可得到517.1 μmol/(cm^2.h)的氨气产率和93.5%的法拉第效率，且具有100 h运行稳定性。这是目前在电催化合成氨中得到的最高的氨气产率和选择性，氨气产率更是达到了传统热催化合成氨产率的量级。同位素标记实验证明NH₃生成全部来自于NO还原。最后，通过微观动力学模拟计算了NO还原的TOF理论值，随着电压的改变，这与实验上的氨气产率呈很好的线性关系，证明了NO还原机理的正确性。
　　相关研究成果发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。以上研究得到了国家自然科学基金项目、科技部国家重点研发计划项目、辽宁省“兴辽英才计划”项目等的支持。（文/图 龙军、李佳怡）