基本信息发表时间2025年3月3日发表期刊Nano EnergyIF31.077)文章标题Coupling Layered Spraying with Joule Heating to Achieve Efficient CuZn Alloy Synthesis for Self-Powered Nitrate Reduction to Ammonia研究团队河南师范大学高书燕核心突破通过分层喷涂结合焦耳热技术制备CuZn5合金催化剂实现硝酸盐电还原制氨NO3RR的超高法拉第效率98.4%和产氨速率420 μmol h⁻¹ cm⁻²并构建基于摩擦纳米发电机TENG的自供能系统摆脱对传统能源的依赖。 研究背景当前NO3RR领域面临三大核心挑战催化剂效率瓶颈传统Cu基催化剂对活性氢*H吸附能力弱高过电位下易引发析氢副反应HER导致法拉第效率低于80%。合金合成难题Cu与Zn的还原电位和沸点差异显著传统高温气相沉积或机械合金化方法能耗高、流程复杂且Zn易挥发导致成分失控。能源依赖问题NO3RR需稳定电力输入而传统化石能源驱动模式与碳中和目标矛盾可再生能源与电化学系统的匹配性不足。 研究方法材料合成采用分层喷涂-焦耳热两步法制备CuZn5合金。首先将0.15 M硝酸铜与0.06 M硝酸锌溶液Cu:Zn1:0.4通过气溶胶装置依次喷涂于碳纤维纸上经50℃真空干燥后在Ar-10% H₂气氛中以160℃/s的升温速率焦耳加热至800℃并保持5秒快速冷却后形成合金纳米球平均粒径311 nm。该方法通过分层设计减少Zn在高温下的挥发解决了传统共混法中Zn损失率超30%的问题。测试表征结构分析使用JEM-2100F透射电镜TEM观察纳米球形貌X射线衍射XRD验证CuZn5合金PDF#35-1152的110和111晶面表面成分X射线光电子能谱XPS显示Cu 2p结合能降低、Zn 2p结合能升高证实Cu-Zn间电子转移电化学性能采用三电极体系在0.5 M K₂SO₄ 0.1 M KNO₃电解液中测试通过线性扫描伏安法LSV和电化学阻抗谱EIS评估催化动力学使用靛酚蓝法结合紫外-可见分光光度计定量NH₃浓度。 研究结论催化性能突破CuZn5合金在-0.25 V vs. RHE电位下实现98.4%的NH₃法拉第效率和420 μmol h⁻¹ cm⁻²的产率较纯Cu催化剂提升2.3倍。机制创新密度泛函理论DFT计算表明Zn的引入优化Cu的d带中心位置将*NH₃脱附能垒从0.39 eV降至0.13 eV同时抑制HER竞争反应。自供能系统构建集成3D打印TENGImax100 μAVmax600 V与整流电路在无外部电源时实现54.70 μmol h⁻¹ cm⁻²的产氨速率为绿色制氨提供新思路。⚙️ 机制说明CuZn5合金通过双金属协同作用优化NO3RR路径Cu位点吸附硝酸盐中间体如NO3⁻→NO2低功函Zn位点4.01 eV促进水分解生成H二者协同加速NO2→NO的决速步骤能垒0.29 eV并降低NH3脱附能耗。TENG通过变压器串联匹配电路输出将高电压600 V转化为稳定电流驱动电化学反应持续进行。图文赏析图1a) 铁、钴、镍、铜、锌的功函数b) 不同模型下各反应中间体的吉布斯自由能c) d 轨道的分波态密度及对应的 d 带中心位置d) 氢气生成过程的吉布斯自由能变化e) 五锌化铜合金上硝酸根还原制氨的反应路径示意图。图2合成催化剂的表征。a) 五锌化铜 - 分层喷涂CuZn-S催化剂、b) 五锌化铜 - 混合喷涂CuZn-X催化剂的合成方法示意图c、d) CuZn-S 与 CuZn-X 合成方法对比e) CuZn-S 的扫描电镜图像f) CuZn-S 的透射电镜图像g) CuZn-S 的高分辨透射电镜图像h) CuZn-S 的能谱分析图像i) 碳纤维纸、CuZn-X、CuZn-S 的 X 射线衍射图谱j-l) CuZn-S 与 CuZn-X 的铜 2p、锌 2p X 射线光电子能谱图。图3a) 铜锌摩尔比 1:0.2、1:0.4、1:0.6 的铜锌合金及纯铜、纯锌在 0.5 mol/L 硫酸钾 0.1 mol/L 硝酸钾溶液中的线性扫描伏安曲线b) 铜锌摩尔比 1:0.4 的合金在含硝酸根与不含硝酸根电解液中的线性扫描伏安曲线c) 铜锌摩尔比 1:0.2、1:0.4、1:0.6 的铜锌合金及纯铜、纯锌的塔菲尔斜率d) 铜锌摩尔比 1:0.2、1:0.4、1:0.6 的铜锌合金及纯铜、纯锌的电化学阻抗谱e) 铜锌摩尔比 1:0.4 的合金在不同电位下的氨产率f) 铜锌摩尔比 1:0.4 的合金在不同电位下的氨法拉第效率g) 铜锌摩尔比 1:0.4 的合金在相对于可逆氢电极 - 0.25 V 电位下的硝酸根还原循环稳定性测试。图4a) 3D 打印摩擦纳米发电机的制备与组装示意图b) 不同转速下的短路电流变化c) 不同转速下的开路电压变化d) 不同转速下的转移电荷量变化e) 3D 打印摩擦纳米发电机系统的输出电流、电压与外电阻的关系f) 3D 打印摩擦纳米发电机系统的输出峰值功率 - 电阻曲线g) 电阻值与变压器串联个数的关系h) 变压器串联连接示意图i) 不同个数变压器串联后整流处理的输出电流、电压结果。图5a) 自供能电化学硝酸根还原制氨系统示意图b) 不同电容的电容器在 30 秒内的充电电压变化c) 不同电容的电容器在 2.8 V 电压下的放电特性d) 匹配不同电容时的氨产率e) 匹配不同电容时的吸光度。未来研究展望催化剂扩展探索CuZn基三元合金如CuZnSn以进一步提升*H吸附效率目标将产氨速率突破500 μmol h⁻¹ cm⁻²。TENG优化开发柔性可穿戴TENG结合太阳能/风能实现多能源耦合提升系统稳定性。规模化应用设计模块化电解槽目标将自供能系统的氨生产成本降至0.5美元/kg接近传统Haber-Bosch法水平。环境适配性拓展海水介质中的NO3RR性能解决海水中Cl⁻对催化剂的毒化问题。文献信息Wang, S., Liu, Y., Huang, J., Liu, S., Li, S., Liu, M., Ma, Z., Yang, T., Yang, Y., Gao, S. (2025). Coupling layered spraying with Joule heating to achieve efficient CuZn alloy synthesis for self-powered nitrate reduction to ammonia. Nano Energy, 138, 110843. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110843亲爱的深圳中科精研焦耳超快加热设备用户自2025 年 1 月 1 日后发表注明我司及设备相关信息的论文可按期刊级别领取300 元至10000 元奖励。详情见发文有奖丨深圳中科精研2025年最新论文奖励计划来了焦耳高温加热技术如闪蒸与快速焦耳热技术是材料科学领域的一项革命性突破。其技术基石是焦耳定律通过施加瞬时大电流可在毫秒至秒级时间内将材料加热至3000℃的超高温。这种无与伦比的升温速率与精准控温能力实现了对材料制备过程的极限调控为新材料合成与性能研究开辟了新路径。相较于马弗炉、管式炉等传统方法该技术在效率和可控性上实现了革命性跨越。标签#焦耳加热 #闪速焦耳热 #热冲击合成#焦耳热效应 #焦耳热冲击 #脉冲焦耳热、#闪速焦耳热、#连续焦耳热、#CuZn合金催化剂、#硝酸盐还原制氨、#自供能系统、#摩擦纳米发电机版权说明本文内容基于公开发表的科研论文整理仅供参考学习。原创内容转载请注明出处。
