大連化物所實現(xiàn)電催化一氧化氮高效合成氨
近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室理論催化創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員肖建平團隊和碳基資源電催化轉(zhuǎn)化研究組研究員汪國雄團隊在電催化一氧化氮還原反應(yīng)（eNORR）合成氨研究方面取得新進展，在Cu6Sn5合金催化劑上實現(xiàn)了96.9%的氨法拉第效率和安培級電流密度。
氮氧化物（NOx）的轉(zhuǎn)化處理是一種緩解環(huán)境和能源問題的方法，肖建平團隊在前期工作中提出了電催化合成氨的新路線（Angew. Chem. Int. Ed.，2020），后續(xù)又在該方向進行了多維度的研究（J. Phys. Chem. Lett.，2021；Nat. Commun.，2023）。氨作為一種重要的化學物質(zhì)，可用于肥料、炸藥和硝酸等的制備，還可作為燃料。eNORR合成氨相較于傳統(tǒng)的哈伯法，是一種更綠色更經(jīng)濟的去中心化合成氨的策略。
大連化物所實現(xiàn)電催化一氧化氮高效合成氨
本工作中，肖建平團隊基于自主開發(fā)的圖論和反應(yīng)相圖分析算法（ACS Catal.，2021），通過基于描述符的方法初步篩選出銅錫合金具有高eNORR合成氨活性，汪國雄團隊進一步合成了Cu6Sn5合金并驗證了其具有安培級的合成氨活性。NO電催化實驗表明，Cu6Sn5催化劑比Cu和Sn具有更高的活性和選擇性，在更廣泛的電壓范圍內(nèi)也表現(xiàn)出很高的合成氨選擇性，在電壓為-0.23V vs. RHE時，得到流動池中的氨產(chǎn)率達到10mmolcm-2h-1，法拉第效率為96.9%，并且在大于600mAcm-2時，保持穩(wěn)定運行135小時。電化學能壘計算表明，Cu6Sn5催化劑比Cu和Sn上生成氨的能壘更低，而且證明Cu6Sn5合金上各產(chǎn)物決速步能壘的大小關(guān)系（NH3<N2O<N2<H2）和實驗測得產(chǎn)物FE分布趨勢相符（NH3>N2O>N2>H2）。合作團隊基于自主研發(fā)的堿性膜電解器件技術(shù)（Nat. Nanotechnology，2023），在總電流為400A時，Cu6Sn5合金上NO電還原產(chǎn)氨速率達到2.5molh-1，展現(xiàn)出了應(yīng)用潛力。
相關(guān)研究以“Electrochemical synthesis of ammonia from nitric oxide using a copper-tin alloy catalyst”為題，于近日發(fā)表在《自然—能源》（Nature Energy）上。該工作的第一作者是大連化物所博士研究生井會娟和523組博士研究生邵加奇。以上工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、中國科學院B類先導專項“功能納米系統(tǒng)的精準構(gòu)筑原理與測量”、榆林創(chuàng)新院人工智能科技專項等項目的資助。
