DOI: 10.1002/anie.202215782

本研究提出将具有丰富氧空位的假板钛矿Fe2TiO5纳米纤维作为一种新型电催化剂，以将环境中的硝酸盐还原为氨。在含有0.1M NaNO3的磷酸盐缓冲盐水溶液中，该催化剂实现了0.73mmol/h/mgcat.的较高NH3产率和高达87.6%的法拉第效率（FE），用于将0.1M NaNO2中的亚硝酸盐转化为氨时，在-0.9V（vs.RHE）下的对应值分别提升至1.36mmol/h/mgcat.和96.06%。此外，它还显示出优异的电化学耐久性和结构稳定性。理论计算表明，该催化剂的导电性增强，在存在氧空位的情况下，硝酸盐吸附的自由能极低，为-0.28eV。

图1.（a）FTO-E电催化剂的合成过程示意图。（b,c）FTO-E的不同放大倍率SEM图像。（d）FTO-E的TEM图像。（e）FTO-E的HRTEM图像。（f）FTO-E的HAADF-STEM图像，及其O（g）、Ti（h）和Fe（i）元素的EDX图谱。

图2.（a）FTO-E和FTO-H的XRD图谱。（b）FTO-E和FTO-H的ESR谱。（c）FTO-E和FTO-H的拉曼光谱。FTO-E中（d）Fe、（e）Ti和（f）O的XPS光谱。

图3.（a）在含有0.1M NaNO3的PBS电解质中测试的FTO-E、FTO-H、TiO2和Fe2O3的LSV曲线。（b）电容电流与扫描速率的关系。（c）四个样品的DRT解析比较。（d）在每个给定电位下测试的FTO-E的NH3 FE、NO2- FE和H2 FE以及NH3产率。（e）在每个给定电位下不同样品的FEs和NH3产率。（f）与一些报告的催化剂的电化学性能进行比较。（g）在24小时连续电解过程中，电流密度、氨产量和FE随时间的变化。（h）FTO-E在-1.0V（vs.RHE）下进行硝酸盐还原反应的循环试验。

图4.（a）整个FTO-E的XRD图谱，（b）SEM图像，（c）TEM和HRTEM图像。（d）电解24小时后从碳纸上刮下的FTO-E的（d）Fe2p、（e）Ti2p和（f）O1s高分辨率XPS光谱。

图5.（a）Zn-NO3-电池的放电电流-电压曲线。（b）对应于不同电流密度的电压。（c）基于FTO-E的Zn-NO3-电池在不同电流密度下的FEs和NH3产率。（d）放电测试前后电池的奈奎斯特图。（e）长期稳定性试验的电流密度和NH3产率。

图6.（a）计算的Fe2TiO5和Fe2TiO5-VO的态密度（DOS）。（b）计算的Fe2TiO5和Fe2TiO5-VO的能带结构。Fe、Ti和O的能带贡献分别以蓝色、绿色和红色标记。（c）Fe2TiO5（红线）和Fe2TiO5-VO（绿线）的自由能。吸附在Fe2TiO5-VO上的NO3-的电荷密度差显示在左下方。电荷过剩和不足区域分别用黄色和蓝色标记。等值面设置为0.002e·Å-1。（d）Fe2TiO5纳米纤维将硝酸盐电催化转化为氨的途径。