ChemCatChem:A位取代促进LaNiO3钙钛矿相转变用于高性能人工固氮

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通过 Sr 掺杂进行 A 位取代实现了LaNiO3 钙钛矿的相转变和氧空位的形成,显著提高了电催化N2还原合成氨的催化活性和稳定性。为开发具有可控表面缺陷的新型高效钙钛矿基催化剂用于电化学人工固氮提供了新思路。



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氨(NH3)在社会中发挥着至关重要的作用,已被广泛应用于农业、医药化学品和能源等领域。目前,通过 Haber-Bosch 实现的工业合成氨需要在高温(400-500℃)、高压(10-30 MPa)条件下进行,导致大量能源消耗和 CO2 排放。在环境条件下实现电催化氮还原合成氨(NRR)是一种环保可持续的策略,但 NN 键能较强,需要较高的活化能垒,并与析氢(HER)反应存在竞争关系,导致较低的产氨率和法拉第效率,因此开发高效和高选择性的 NRR 电催化剂仍具有很大挑战。


针对以上问题,西北大学郭晓辉教授课题组报道了通过取代钙钛矿氧化物 A 位元素诱导的氧空位来增强N2的吸附和活化,从而提高 NRR性能。采用溶胶凝胶法成功制备了具有可调节的氧空位La1-xSrxNiO3−δ (x=0, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6) 钙钛矿氧化物。与原始 LaNiO3 相比,Sr部分取代La导致Ni2+氧化为Ni3+,并形成更多的氧空位,使NRR性能均表现出显著提升,其中,La0.5Sr0.5NiO3表现出最佳的产氨性能,以0.1 M Na2SO4为电解液,在-0.7 V电位下的产氨率高达55.9 g h-1 mg cat.-1,-0.5 V电位下得法拉第效率为23.17%(均相对于可逆氢电极),该结果优于大多数钙钛矿的产氨性能,并且在-0.7 V电位下连续八次循环实验,产氨率仍可保持在50 g h-1 mg cat.-1以上,证明该催化剂具有较高的电化学稳定性和选择性。该项研究合成方法简单、条件温和,在NRR中实现了较好的产氨性能,并深入研究了A位元素的取代对于性能提高的作用机理。同时该研究工作为开发其它具有富含氧空位的钙钛矿基纳米催化剂用于电化学人工固氮提供了设计思路和理论指导。

文信息

A-Site Substitution Motivating the Phase Transformation of LaNiO3 Perovskite for High-Performance Artificial N2 Fixation

Dr. Yinan Zheng, Dr. Shishi Zhang, Hu Yao, Xue Li, Prof. Yaqiong Su, Prof. Xiaohui Guo


ChemCatChem

DOI:10.1002/cctc.202200920




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