電催化硝酸鹽還原為氨作為一種能夠有效處理廢水和生產(chǎn)綠色氨氣方法受到越來越多的關注。然而，由于在硝酸鹽中N-O的鍵能高達204 KJ mol^?1，導致電催化硝酸鹽還原需要高的能耗。此外，由于電催化硝酸鹽還原反應過程中會發(fā)生競爭性析氫反應(HER)和其他一些副反應，電催化硝酸鹽還原為氨的選擇性較低，這嚴重阻礙了其進一步發(fā)展和工業(yè)應用。因此，迫切需要設計并開發(fā)具有高選擇性和穩(wěn)定性的高效電催化劑。

近日，電子科技大學李廷帥課題組制備出一種具有缺陷的Fe₂TiO₅(FTO)電催化劑，其可以將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氨。

FTO是一種窄帶隙2.2 eV的半導體，其導帶最小位置、電子和原子結(jié)構(gòu)與TiO₂非常相似，能具有快速電流響應和電子空穴有效分離的特征。電催化硝酸鹽還原為氨性能測試結(jié)果顯示，最優(yōu)的FTO-E在?1.0 V_RHE下的氨產(chǎn)率為0.73 mmol h^?1 mg^?1_cat，電催化硝酸鹽還原為氨的法拉第效率(FE)為87.6%。

此外，副產(chǎn)物NO^2?、H₂和N₂H₄顯示出極低的法拉第效率，表明FTO-E對硝酸鹽還原為氨具有很強的選擇性。在經(jīng)過50 h和100 h的測試后，F(xiàn)TO-E上電流略有下降，極化電阻增大，這主要是由于還原過程中NH₄⁺濃度的增加。

實驗結(jié)果和密度泛函理論(DFT)計算表明，當V_O存在時，F(xiàn)TO自旋向上的DOS帶隙明顯減小，這提高了催化劑的電導率；不飽和d軌道改善了金屬原子的吸附，促進了活性位點與中間體之間的電子相互作用。*NO→*N是整個硝酸鹽還原過程中的速率決定步驟(PDS)，其在FTO和FTO-V_O上的能壘分別為0.35 eV和0.68 eV，表明V_O的存在顯著提高了FTO-E的催化性能。

此外，F(xiàn)e和O的結(jié)合形成了一些反鍵態(tài)，降低費米能級，促進電荷轉(zhuǎn)移；同時隨著V_O的產(chǎn)生，催化劑d帶中心提高，這進一步促進了電催化硝酸鹽還原反應的進行。

Durable Electrocatalytic Reduction of Nitrate to Ammonia over Defective Pseudobrookite Fe₂TiO₅ Nanofibers with Abundant Oxygen Vacancies. Angewandte Chemie International Edition, 2022. DOI: 10.1002/anie.202215782