基于Pt(100)的双金属催化剂在碱性环境中电催化硝酸根还原为氮气的研究

The constantly-rising contamination of nitrate in water caused a potential health threatening consequences for human. Therefore, creating a reliable “green” approach that can achieve the denitrification efficiently is a matter of great urgency. According to the pathways of nitrate reduction electrocatalyzed by noble or tansition metals, the rate-determining step and selectivity-determing step of nitrate reduction should be promoted simultaneously on bimetallic catalysts based on Pt(100), obtaining environment-friendly nitrogen as the fianl product. . Accordingly, in this project we plan to study the adsorption and electrocatalytic activities of nitrate and nitrite (the intermediate of rate-determining step) on various metals in alkaline media using the method combined electrochemical techniques and first principle caculations, which can provide the theoretical basis for the modified metal selection. At the same time, the effect of depositon method, metal coverage and solution pH on nitrate reduction will be explored, indicating the reaction conditions and pathways for the selective conversion to dinitrogen. The research goal of this project is construction of bimetallic (nano)catalysts based on Pt(100) sites to achieve the extensive application in nitrate remediation.

硝酸盐在水体环境中含量的持续增加严重影响了人类的健康，因此开发一种有效可行的“绿色”硝酸盐治理方案已迫在眉睫。根据硝酸根在金属表面的电催化还原路径，发展基于Pt(100)晶面的双金属催化体系有望实现硝酸根还原过程中速控步骤和选择性还原的有效结合，得到环境友好型产物--氮气。. 为此，本项目利用传统的电化学测试技术和第一性原理计算相结合的方法来研究碱性环境中硝酸根和中间产物亚硝酸根在金属表面的吸附和电催化活性，为双金属催化体系中修饰金属的选择提供理论依据。同时，研究修饰金属在Pt(100)界面上的覆盖方式和覆盖率以及溶液pH值对修饰电极电催化性能的影响，阐明硝酸根向氮气选择性转化的反应条件和路径。通过理论研究，构建具有高选择性催化性能的Pt(100)基双金属纳米催化体系来实现废水中硝酸盐治理的广泛应用。

随着氮肥的使用以及生活和工业含氮污水的排放，硝酸盐在水体环境中的积累会对人类健康造成极大的危害，开发一种绿色的电催化脱氮技术实现硝酸盐向氮气的选择性转化具有重要的意义。根据硝酸盐在金属表面的电催化还原路径，本项目设计并探究了Cu/Pt(100)双金属纳米催化体系，借助Cu对硝酸盐的高催化活性以及Pt(100)晶面对中间产物亚硝酸盐电化学还原的特殊选择性，实现硝酸盐向无毒无害的氮气的转化。.在项目实施过程中，首先利用Pt(100)单晶电极验证了Cu/Pt(100)双金属催化体系构建的合理性，采用电化学方法确定了硝酸盐和亚硝酸盐在Cu、Pt界面的电化学反应活性，为下一步基于Pt(100)晶面的纳米结构电极的构筑提供实验基础；其次利用恒电压沉积法在碳布(CC)导电基底上直接生长了具有较大比表面积和高比例(100)晶面的Pt纳米花(Pt NFs)，并在此纳米结构上进行Cu的修饰，制备了具有较高电化学活性的Cu/Pt NFs/CC纳米结构电极。实验结果表明，Cu/Pt NFs/CC纳米结构电极上Cu的活性位点以及覆盖率会显著影响硝酸盐的电催化活性和电化学还原产物。当Cu的覆盖率较大时，硝酸盐会在Cu表面上直接还原为氨气，且当Cu原子主要吸附在Pt NFs的(100)晶面上时，其硝酸盐的电催化活性最高，但无法实现向氮气的选择性转化。当Cu的覆盖率较小（8.7%）且暴露的Pt(100)晶面足够多时，硝酸盐首先在Cu表面还原为亚硝酸盐，继而在Pt(100)晶面上选择性还原为氮气。此外，为了增强纳米材料与碳布基底的结合力，提高纳米结构电极的稳定性和电化学活性，以商用碳布和棉纺布作为原材料，在纳米材料和碳基底之间构筑了一层N, P掺杂的中间碳层获得改性的碳布导电基底，为纳米结构电极的电化学性能助力。以上研究成果为利用双金属纳米结构电极实现水体环境中过量硝酸盐的治理提供了一定的理论实验数据支撑和一条“绿色”的解决途径，具有较好的应用前景。