科学家在电催化方面取得了突破。他们最近的研究揭示了催化剂在硝酸盐还原过程中可能以意想不到的形式存在。这些发现可能会导致更有效的催化剂的研发。
来自马克斯·普朗克学会弗里茨·哈柏研究所界面科学部门的研究人员，结合来自柏林赫尔默兹中心的光束线专家，在电催化方面取得了重大进展。他们的研究结果发表在《自然材料》杂志上，为催化剂在硝酸盐还原过程中的表现提供了见解。题为《通过相关的操作显微镜和光谱学揭示硝酸盐电还原过程中催化剂的重构和组成》的研究，可能促进更高效催化剂的发展。
理解催化剂：更好化学反应的关键
催化剂是加速化学反应的基本物质，而在过程中并不会被消耗。它们在各种工业应用中发挥着重要作用，包括燃料生产和制药制造。然而，理解催化剂在操作过程中的行为一直是一项挑战。催化剂在施加电势时可以改变其结构和组成，这与变色龙根据周围环境改变颜色的方式类似。传统上，人们假设催化剂像变色龙一样在激活后迅速恢复到其最活跃的形式。
多模式研究催化剂的方法
这个研究小组利用独特的先进技术组合展示了这一假设在某些情况下并不成立。他们采用电化学液体单元透射电子显微镜（EC-TEM）观察立方Cu2O预催化剂在旨在生成绿色氨的硝酸盐还原反应中的表现。这一方法使他们能够可视化催化剂的变化，特别是在反应过程中立方Cu2O预催化剂的变化。他们还将X射线显微镜/光谱学与拉曼光谱学结合起来，确定预催化剂在反应过程中是否转化为预期的Cu金属相，以及这种转变是否均匀地发生在所有纳米催化剂颗粒中。
关键发现：氧还原动力学的角色
研究的一项显著发现是，Cu2O立方体并不会迅速转变为首选的金属状态；相反，它们可以在操作过程中长时间保留为Cu金属、Cu氧化物和Cu氢氧化物的组合。这种混合物的组成和生成的催化剂的形状受施加电势、周围化学环境以及反应时间的显著影响。
对氨选择性的影响
探索硝酸盐还原的主要原因之一是评估其将废硝酸盐转化回氨的潜力，氨是食品生产中肥料的重要组成部分。此前，优化这一过程的努力基于催化剂在反应过程中将采用最有利形式的假设。这项新研究将为设计更高效的Cu基预催化剂在氨生产中的应用铺平道路。
界面科学部门的组长及研究的通讯作者Dr. See Wee Chee表示：“在反应过程中观察到不同的相是令人惊讶的，尤其是在我们以单一形式的催化剂开始时。更重要的是，这种混合状态可以长期存在，为设计更高效的催化剂提供了宝贵的见解。”
这项研究进一步表明，捕捉局部化学变化的先进实时观察技术可以增强我们对催化剂在行动中的复杂本质的理解。
弗里茨·哈柏研究所界面科学部门主任、共同通讯作者的Prof. Beatriz Roldán提到：“目前，氨是通过气相哈伯-博施热催化法生产的，该方法在中等温度（450-550 °C）下，但在高压（150 bar）下进行，需消耗大量基于化石的H2。我们的挑战是找到一种降低碳排放的氨合成替代方法，我们通过使用可再生电力推动直接电催化路线实现了这一目标。”
