【摘 要】
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氨在人类生活的各个方面都扮演着不可或缺的角色。由于生产原料丰富、价格低廉且大规模工业化使其成本更低,传统的Haber-Bosch工艺仍然主导着合成氨工业。然而,高温高压的反应条件使得该合成氨过程的能耗相对较高。此外,该合成氨工艺不仅需要大量的能源供应,而且会排放大量的二氧化碳,导致环境问题,这对发展中国家是不友好的。因此,开发低能耗、绿色的氨合成技术是合理且紧迫的,其中电催化还原硝酸根合成氨是环境
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氨在人类生活的各个方面都扮演着不可或缺的角色。由于生产原料丰富、价格低廉且大规模工业化使其成本更低,传统的Haber-Bosch工艺仍然主导着合成氨工业。然而,高温高压的反应条件使得该合成氨过程的能耗相对较高。此外,该合成氨工艺不仅需要大量的能源供应,而且会排放大量的二氧化碳,导致环境问题,这对发展中国家是不友好的。因此,开发低能耗、绿色的氨合成技术是合理且紧迫的,其中电催化还原硝酸根合成氨是环境条件下合成氨非常有前景的途径。然而,由于竞争性的析氢反应,迄今为止开发的大多数硝酸盐-氨电催化剂法拉第法效率是有限的。制备简单且易于修饰的碳点（CDs）可以对催化剂进行改性并已被广泛用于电催化反应,采用合理的掺杂CDs修饰催化剂可以改变其表面酸度和碱度,以提高反应效率和抑制不利的副反应。基于此,本论文集中于碳点基电催化剂的优势,研究其电催化硝酸根还原合成氨的性能和催化机理,并开展了以下工作:（1）以含有不同杂原子的小分子为前驱体制备XCDs,然后加入碳布（CC）经二次水热制备复合材料,最后煅烧得到XCDs/CC。探索不同掺杂类型的CDs在0.5 M K2SO4的溶液中电催化还原硝酸根合成氨的性能。由于硼掺杂碳量子点（BCDs）提供较多的活性位点和强的硝酸根吸附能,在测试条件下,它拥有较高的电流密度和硝酸盐还原活性。（2）基于上述研究,我们以硼盐为原料制备BCDs,将其与CoCl2·6H2O和尿素混合均匀后采用水热和煅烧相结合的方式制备了Co3O4@BCDs/CC复合催化剂。Co3O4是催化硝酸根还原合成氨的主体,BCDs修饰后不仅进一步增加了催化位点,还增强了硝酸根的吸附能。因此,在0.5 M K2SO4（+200 ppm NO3-）溶液中,该催化剂表现出较高的法拉第效率（90%）,同时具有良好的稳定性。（3）由于硝酸盐还原涉及多质子参与过程,水解离氢的量对氨的转换过程至关重要。为了进一步提高法拉第效率和探究催化剂反应路径,我们在上一个工作的基础上引入金属镍作为吸附氢位点制备BCDs/NiCo2O4/CC催化剂。电催化过程中金属镍提供大量反应所需的吸附氢,推动了加氢过程地进行;BCDs和NiCo2O4共同提供了足够的催化位点。因此,该催化剂表现高法拉第效率（～100%）;同时,在-0.55 V（vs.RHE）,作为阴极的电化学还原硝酸根合成氨的产率是173.9 μmol h-1 cm-2。
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