大連化物所提出電催化一氧化氮還原合成氨新策略

2021-01-08 騰訊網

近日，大連化物所肖建平研究員團隊和鄧德會研究員團隊合作提出將工業廢氣和汽車尾氣中排放的一氧化氮電催化還原合成氨氣的新策略，為脫硝和電催化合成氨提供了新的思路。

一氧化氮是一種有害的大氣汙染物，通常來自化石燃料的燃燒，如火電廠鍋爐煙氣、汽車尾氣等，一氧化氮的去除在工業煙氣處理中是必不可少的。同時，合成氨在工業上是一個非常重要的化工過程，氨氣是化工生產中一種基礎的化學物質，可以用來製備化肥、硝酸、炸藥等，還可作為燃料電池的燃料。傳統的合成氨方法主要是哈-伯法，但此過程在高溫高壓下才能進行，需要消耗大量的能量。電催化氮氣還原合成氨可以在常溫常壓下進行，但是由於氮氣分子非常穩定，氮-氮三鍵難以斷裂，面臨著低活性和低選擇性的難題，難以得到實際應用。為變廢為寶，在一氧化氮和氨之間架起一座切實可行的橋梁，該團隊提出了將煙氣中的一氧化氮電催化還原合成氨的新策略。

脫硝和合成氨的有機結合-廢氣/尾氣的電還原

理論研究可以幫助我們篩選出最好的催化劑材料，研究人員首先基於密度泛函理論計算研究，考慮了數十種不同的一氧化氮還原反應路徑，發現一氧化氮還原在熱力學上比氮氣還原和析氫（競爭反應）都更容易進行。此外，研究人員通過基於描述符的方法篩選出最優的過渡金屬催化劑——銅，電催化動力學計算表明，在Cu(111)表面上，氨氣在不同的還原產物（氨氣、氫氣、一氧化二氮、氮氣）中的生成能壘最低，因此最易於生成氨氣。一氧化氮電催化實驗表明，銅和鉑具有相近的氨氣產率，但是銅的選擇性更優，因此選擇銅電極。相對於銅Foil電極，銅Foam由於具有豐富的孔隙結構，催化性能得到進一步提高。選用銅Foam，在電壓為-0.9伏時，可得到517.1 μmol/(cm2·h)的氨氣產率和93.5%的法拉第效率，且具有100小時運行穩定性。這是目前在電催化合成氨中得到的最高的氨氣產率和選擇性，氨氣產率更是達到了傳統熱催化合成氨產率的量級。同位素標記實驗證明氨氣生成全部來自於一氧化氮還原。最後，通過微觀動力學模擬計算了一氧化氮還原的TOF理論值，隨著電壓的改變，TOF理論值與實驗上的氨氣產率呈很好的線性關係，證明了一氧化氮還原機理的正確性。

相關研究成果發表在《德國應用化學》上。以上研究得到了國家自然科學基金項目、科技部國家重點研發計劃項目、遼寧省「興遼英才計劃」項目等的支持。（文/圖 龍軍、李佳怡）

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