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常温常压电化学合成氨获突破
来源:中国化工报 发布时间:2019-3-15 11:13:20

  北京理工大学上周发布消息称,该校科研人员与北京大学、上海同步辐射光源司锐课题组合作,在常温常压水相电催化合成氨领域获得突破。科研人员在25℃、1个大气压下,从水和氮气出发,即可实现高选择性和高速率产氨。该结果较目前已有报道获得数量级上的提升,为电化学合成氨的实用化提供了可能。


  电催化氮还原反应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,以大量易得的水与空气中的氮气作为反应原料,以可持续能源如太阳能、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,不论是作为传统氨合成Haber-Bosch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,就必须突破现有理论,发展新型催化剂与催化体系,同时大幅提升催化剂的选择性与活性。


  研究人员开创性地利用非贵金属催化剂——铋纳米催化剂与钾离子碱金属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。采用这种方法,他们在25℃、1个大气压下,从水和氮气出发,高选择性(电子利用率高于66%)和高速率(3.4g NH3/g.h)产氨。


  该催化体系还具有广泛适用性。不仅限于铋催化剂,碱金属的促进作用还适用于一系列常用催化剂,如Pt、Au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。


  目前,每年全球合成氨产量已超过亿吨,其中大部分用于农业生产,其他部分用作工业原料。此外,氨还有望成为重要的清洁储氢与储能材料。然而,由于氮气分子非常稳定且难以活化,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方法是在高温高压(300℃~500℃,100~200个大气压)等苛刻条件下,促使高纯氢气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、高化石燃料消耗和高二氧化碳排放等缺点。


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