氨在农业和工业中是至关重要的气体，它有潜力作为各种能源转换和储存技术的零碳燃料。不幸的是，传统的氨生产方法能耗非常高，约占全球二氧化碳排放的1.8%。一个研究团队把注意力集中在尖晶石钴氧化物上，揭示了如何增强和理解这些催化剂可以帮助解决这个问题。
研究人员在创建电化学硝酸盐还原反应（eNO3RR）的催化剂方面取得了重大进展，将硝酸盐转化为氨。这一过程在可持续能源、农业和工业应用中具有重要潜力。
氨对全球食品生产至关重要，并因其高能量密度、无污染的燃烧产物和现有的储存和运输系统而展现出作为零碳燃料的前景。现有的氨生产方法，即哈柏-博施工艺，能耗较大，产生约1.8%的全球二氧化碳排放。
在最新研究中，团队研究了尖晶石钴氧化物（Co3O4），这是一类具有成本效益、高活性和选择性的eNO3RR催化剂。他们开发了各种具有不同晶面特征的Co3O4纳米结构——{100}、{111}、{110}和{112}——以观察这些晶面如何影响氨的生产性能。结果显示，Co3O4的{111}晶面表现尤为出色，达到了99.1%的氨法拉第效率和35.2 mg h−¹ cm−²的产率。
“我们的结果表明，Co3O4的{111}晶面在将硝酸盐转化为氨方面效果显著，”研究的共同第一作者、东北大学先进材料研究所（WPI-AIMR）特别任命助理教授刘恒博士表示。“这种效率归因于在该晶面上快速形成的氧空位和Co(OH)2，大大提高了催化剂的性能。”
此外，研究团队发现催化剂在反应过程中经历了变化，从Co3O4转变为具有氧空位的形式，演变成Co3O4−x-Ov/Co(OH)2的混合体，最终稳定为Co(OH)2。这种转变在{111}晶面上最为明显，进一步促进了其出色的性能。
“理解我们观察到的结构变化对理解催化剂的活性至关重要，”对应作者、WPI-AIMR的副教授李昊强调。“这些发现将有助于通过优化暴露的晶面来设计更高效的催化剂。”
除了在农业中的重要性，氨也是一种潜在的零碳燃料，是能源转换和储存的重要元素。eNO3RR作为一种可持续的替代方案，能够将硝酸盐废物转化为有价值的氨，同时支持环境清理工作。
“这项研究为开发更有效和可持续的催化剂奠定了坚实的基础，”李指出。“随着我们研究的进展，我们的目标是调节催化剂转变的最后阶段，以提高其活性、选择性和耐久性。”
对Co3O4催化剂的理解和优化的这一突破，可能会导致更清洁和更可持续的工业方法，帮助全球努力在2050年代实现碳中和。
