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张亚文/严纯华课题组与合作者在常温常压水相电催化合成氨领域获得突破

 

合成氨工业对国民经济与社会发展具有举足轻重的作用。目前,每年全球氨产量已超过亿吨,其中大部分用于农业生产以解决粮食与温饱问题,其它部分用作重要的工业原料。此外,氨还具有含氢量高(质量比达17.6%)、易液化等优点,有望成为重要的清洁储氢与储能材料,具有广阔的应用前景。然而,由于氮气分子非常稳定难以活化,温和条件下合成氨反应难以迅速进行。工业上广泛采用的Haber-Bosch通过高温高压300–500摄氏度100–200个大气压苛刻条件来促使高纯氢和氮气在铁基催化剂表面进行反应生成氨其能量和氢气都来自于化石燃料(如甲烷等),表现出高能耗、化石燃料消耗和高二氧化碳排放等缺点。合成氨工业消耗全球每年3–5%的甲烷与1–2%的能供给并产生1.6%的二氧化碳排放。寻找合适的绿色替代方案,在温和条件下实现高效、低能耗、低排放合成氨,成为亟待解决的科学挑战。

电催化氮还原反应(总反应N2 + 3H2O 2NH3 + 1.5O2提供了一种可持续合成氨的新路径。该反应在常温常压下即可进行,大量易得的水与氮气(空气)作为反应原料可持续能源(太阳能,风能等)产生的电能作为能量来源,即可实现零排放合成氨。因此,不论是作为传统Haber-Bosch方法的潜在替代者还是作为新型清洁能源体系的重要组成部分,电化学合成氨技术都具有极大的发展潜力与广阔的应用前景。

然而,电化学合成氨技术仍面临重大挑战,其发展严重受制于现有催化剂非常低下的选择性与活性。若要将该技术实用化,就必须同时大幅提升催化剂的选择性与活性。然而,现有研究经验与理论表明该反应催化剂普遍面临严重的“选择性-活性”两难问题:具有理论高活性催化剂通常会导致激烈的析氢副反应,从而表现出低的反应选择性;可能具有高选择性的催化剂对氮的吸附过强,导致产物难以脱附,表现出过低的反应活性。因此,取得电催化合成氨研究进展,大幅提高催化剂的选择性与活性,就必须突破现有理论,发展新型催化剂与催化体系

金沙网站化学与分子工程学院张亚文/纯华课题组北京理工大学殷安翔课题组,上海同步辐射光源司课题组合作,开创性地利用非贵金属催化剂(铋纳米催化剂)与碱金属(钾离子)助催化剂之间的协同作用,成功增强氮气分子在催化剂表面的吸附与活化,同时抑制析氢副反应,从而突破已有极限大幅提高电催化合成氨的选择性与反应速率。在常温常压25摄氏度,1个大气压)下,和氮气出发,即可实现高选择性(电子利用率高于66%)和高速率(3.4 g NH3 g–1 h–1产氨。该结果目前已有报道有数量级上的提升为电化学合成氨的实用化提供了可能值得一提的是,该催化体系具有广泛适用性。不仅于铋催化剂,碱金属的促进作用适用于一系列常用催化剂(如PtAu等)。此外,该催化体系对具有重要能源与环境意义的二氧化碳电催化还原反应同样具有显著的提升作用。本研究为温和条件下利用可持续能源高效合成氨提供了新的途径。该研究结果以Promoting nitrogen electroreduction to ammonia with bismuth nanocrystals and potassium cations in water为题于201934日发表于Nature Catalysis杂志)。

1. Bi–K+催化体系实现高效电化学合成氨:理论模拟,反应模型与催化性能

该研究得到国家重点研发计划国家自然科学基金、北京理工大学金沙网站高性能计算平台等的资助本研究的合作者包括北京理工大学胡长文课题组和王博课题组在研究过程中得到了金沙网站孙伟研究员、中科院大连化物所汪国雄研究员厦门大学周志有教授的大力帮助。北京理工大学殷安翔研究员、金沙网站张亚文教授、严纯华教授和上海同步辐射光源司锐研究员为该工作的共同通讯作者,共同第一作者为北京理工大学博士研究生郝宇晨和金沙网站博士研究生郭毓。

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