用于安培级氨合成和高功率密度硝酸锌电池的人工受阻路易斯对

《Journal of the American Chemical Society》：Artificial Frustrated Lewis Pairs for Ampere-Level Ammonia Synthesis and High-Power-Density Zinc-Nitrate Battery

硝酸还原反应（NO3RR）电合成氨研究显示，引入镧掺杂的铜氧化物催化剂（La9-CuOx）通过 frustrated Lewis pairs（FLPs）促进水解解离，实现低过电位290mV、高电流密度1.76A/cm2及98.9%法拉第效率。该催化剂同时应用于锌-硝酸锌电池，达成80.6mW/cm2功率密度和21.4mg/h/cm2产氨速率，实现同步发电与制氨。

　　

基于铜的电催化剂在电化学硝酸盐还原反应（NO₃RR）中表现出优异的还原动力学性能，并能抑制竞争性的氢气生成反应，这使得NO₃RR成为传统哈伯-博施工艺生产氨（NH₃）的替代方案。然而，NH₃生产中的NO₃RR反应涉及九个质子和八个电子的转移过程，其性能受到产质子能力有限的制约。在这项研究中，研究人员将“受挫的路易斯对”（FLPs）引入基于铜的催化剂中，制备了掺镧的Cu₂O。其中，由Cu–O–La–O_v（v表示空位）结构中的路易斯酸性位点O_v和路易斯碱性位点O形成的FLPs成为了活性位点。这些活性位点促进了H₂O的分解，为NO₃RR的氢化反应提供了充足的质子。La₉–CuO_x催化剂在-0.4 V电压下表现出极低的NH₃生成过电位（仅为290 mV），实现了1.76 A cm^–2的NH₃电流密度，NH₃产率为139.5 mg h^–1 cm^–2，法拉第效率达到98.9%。由于La₉–CuO_x在NO₃RR反应中的优异性能，基于该催化剂的Zn-NO₃^–电池实现了80.6 mW cm^–2的显著功率密度，NH₃产率为21.4 mg h^–1 cm^–2。本研究阐明了FLPs在促进NO₃RR反应中的作用，并开发出了一种高效的Zn-NO₃^–电池，能够同时实现电力生成和氨的生产。