我室提出电催化一氧化氮还原合成氨新策略

所属:科研进展 发布于:2020.03.27.03.27

  我室肖建平研究员团队和邓德会研究员团队合作,提出将工业废气和汽车尾气中排放的一氧化氮(NO)电催化还原合成氨气(NH3),为脱硝和电催化合成氨提供了新的思路。

  NO是一种有害的大气污染物,通常来自于化石燃料的燃烧,如火电厂锅炉烟气,汽车尾气等。因此,NO去除在工业烟气处理中是必不可少的。同时,合成氨在工业上是另外一个非常重要化工过程,因为氨气是化工生产中一种非常基础的化学物质,可以用来制备化肥,硝酸,炸药等,还可作为燃料电池的燃料。传统的合成氨方法主要是哈-伯法, 但这个过程在高温高压下才能进行,需要消耗大量的能量。电催化氮气还原合成氨可以在常温常压下进行,但是面临着低活性和低选择性的难题,难以得到实际应用。这主要是由于氮气分子非常稳定,氮-氮三键难以断裂。有鉴于此,肖建平和邓德会团队提出将烟气中的一氧化氮电催化还原合成氨。

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   该基于密度泛函理论计算研究,首先考虑了数十种不同的NO还原反应路径,发现NO还原在热力学上比N2还原和析氢(竞争反应)都更容易进行。此外,通过基于描述符的方法筛选出最优的过渡金属催化剂—Cu,电催化动力学计算表明,在Cu(111)表面上,NH3在不同的还原产物中(NH3, H2, N2O, N2)的生成能垒最低。NO电催化实验表明,Cu和Pt具有相近的氨气产率,但是Cu的选择性更优。相对于Cu Foil电极,Cu Foam由于具有丰富的孔隙结构,催化性能得到进一步提高,在电压为-0.9V时可得到517.1 μmol•cm-2•h-1的氨气产率和93.5%的法拉第效率,且具有100h运行稳定性。这是目前在电催化合成氨中得到的最高的氨气产率和选择性,前者更是达到了传统热催化合成氨产率的量级。同位素标记实验证明NH3生成全部来自于NO还原。最后,通过微观动力学模拟计算了NO还原的TOF理论值,随着电压的改变,这与实验上的氨气产率呈很好的线性关系,证明了NO还原机理的正确性。

   相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. (Angew. Chem. Int. Ed.期刊上。以上研究得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、辽宁省“兴辽英才计划”等研究经费的支持。(文/图 龙军 李佳怡)