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北理工殷安翔課題組與合作者在常溫常壓水相電催化合成氨領域獲得突破

供稿: 化學與化工學院 編輯: 李亞鑫
(2019-03-05) 閱讀次數:
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  近日,北京理工大學化學與化工學院/教育部原子分子簇科學重點實驗室殷安翔課題組與北京大學嚴純華、張亞文課題組,上海同步輻射光源司銳課題組合作,在常溫常壓水相電催化合成氨領域獲得突破,研究結果以“Promoting nitrogen electroreduction to ammonia with bismuth nanocrystals and potassium cations in water”為題于2019年3月4日發表于《Nature Catalysis》雜志,文章鏈接為https://www.nature.com/articles/s41929-019-0241-7

  合成氨工業對國民經濟與社會發展具有舉足輕重的作用。目前,每年全球氨產量已超過億噸,其中大部分用于農業生產以解決糧食與溫飽問題,其它部分用作重要的工業原料。此外,氨還具有含氫量高(質量比達17.6%)、易液化等優點,有望成為重要的清潔儲氫與儲能材料,具有廣闊的應用前景。然而,由于氮氣分子非常穩定且難以活化,溫和條件下合成氨反應難以迅速進行。工業上廣泛采用的Haber-Bosch方法通過高溫高壓(300–500攝氏度,100–200個大氣壓)等苛刻條件來促使高純氫氣和氮氣在鐵基催化劑表面進行反應生成氨,其能量和氫氣都來自于化石燃料(如甲烷等),表現出高能耗、高化石燃料消耗和高二氧化碳排放等缺點。合成氨工業消耗全球每年3–5%的甲烷與1–2%的能源供給,并產生1.6%的二氧化碳排放。尋找合適的綠色替代方案,在溫和條件下實現高效、低能耗、低排放合成氨,成為亟待解決的科學挑戰。

  電催化氮還原反應(總反應為N2 + 3H2O  2NH3 + 1.5O2)提供了一種可持續合成氨的新路徑。該反應在常溫常壓下即可進行,以大量易得的水與氮氣(空氣)作為反應原料,以可持續能源(太陽能,風能等)產生的電能作為能量來源,即可實現“零排放”合成氨。因此,不論是作為傳統Haber-Bosch方法的潛在替代者還是作為新型清潔能源體系的重要組成部分,電化學合成氨技術都具有極大的發展潛力與廣闊的應用前景。

  然而,電化學合成氨技術仍面臨重大挑戰,其發展嚴重受制于現有催化劑非常低下的選擇性與活性。若要將該技術實用化,就必須同時大幅提升催化劑的選擇性與活性。然而,現有研究經驗與理論表明,該反應催化劑普遍面臨嚴重的“選擇性-活性”兩難問題:具有理論高活性的催化劑通常會導致激烈的析氫副反應,從而表現出低的反應選擇性;而可能具有高選擇性的催化劑對氮的吸附又過強,導致產物難以脫附,表現出過低的反應活性。因此,為取得電催化合成氨研究進展,大幅提高催化劑的選擇性與活性,就必須突破現有理論,發展新型催化劑與催化體系。

圖1. Bi–K+催化體系實現高效電化學合成氨:理論模擬,反應模型與催化性能

  研究者開創性地利用非貴金屬催化劑(鉍納米催化劑)與堿金屬(鉀離子)助催化劑之間的協同作用,成功增強氮氣分子在催化劑表面的吸附與活化,同時抑制析氫副反應,從而突破已有極限,大幅提高電催化合成氨的選擇性與反應速率。在常溫常壓(25攝氏度,1個大氣壓)下,從水和氮氣出發,即可實現高選擇性(電子利用率高于66%)和高速率(3.4 g NH3 g–1 h–1)產氨。該結果較目前已有報道有數量級上的提升,為電化學合成氨的實用化提供了可能。值得一提的是,該催化體系還具有廣泛適用性。不僅限于鉍催化劑,堿金屬的促進作用還適用于一系列常用催化劑(如Pt、Au等)。此外,該催化體系對具有重要能源與環境意義的二氧化碳電催化還原反應同樣具有顯著的提升作用。本研究為溫和條件下利用可持續能源高效合成氨提供了新的途徑。

  該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京理工大學、北京大學高性能計算平臺等的資助。本研究的合作者還包括北京理工大學胡長文課題組和王博課題組,在研究過程中得到了北京大學孫偉研究員、中科院大連化物所汪國雄研究員和廈門大學周志有教授的大力幫助。北京理工大學殷安翔特別研究員、北京大學張亞文教授、嚴純華教授和上海同步輻射光源司銳研究員為該工作的共同通訊作者,共同第一作者為北京理工大學博士研究生郝宇晨和北京大學博士研究生郭毓。


(審核:李春)

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