天津理工Nano Energy：環境條件高效電化學脫硝制氨

引言

氨（NH₃）不僅是生產食品和化學品的重要基礎原料，還是一種能源載體和潛在燃料。目前，室溫和環境壓力下電合成氨（NH₃）是高溫高壓Haber-Bosch工業過程的潛在替代方法。迄今為止僅氮還原反應（NRR）一種電化學方法被報道用于環境條件合成氨。然而，由于非極性N₂分子非常穩定，致使NRR的NH₃產率遠低于美國能源部（DOE）的目標（9.3×10^-7 mol cm^-2·s^-1）。

成果簡介

基于此，天津理工大學羅俊教授-劉熙俊副研究員團隊和北京科技大學唐曉龍教授團隊合作報道了一種單原子催化劑用于高效電化學NO還原合成氨。NO作為煙道氣的主要成分，其占NO_x的比例高達95％。通常，NO是由固定式燃料（例如火力發電廠和工業鍋爐），移動源（例如汽車尾氣）以及化石燃料的其他燃燒過程產生的，是空氣污染物的主要來源之一。之前的工作對硝酸鹽，亞硝酸鹽和NO的轉化進行了廣泛的研究，而催化劑通常被設計用來生產N₂而不是NH₃。這項工作提出了以在基礎化學中具有重要意義的NH₃作為NO的還原產物，該策略不僅可以直接合成高價值的NH₃，而且可以解決由NO引起的污染（例如酸雨，光化學煙霧和臭氧層耗竭）。值得注意的是現有解決這些方案必須通過需要消耗大量NH₃的NH₃-SCR技術來實現NO的去除。

為了實現NORR策略，我們通過在B，N共摻雜的碳納米管上組裝多種單個金屬原子（Al，Mn，Fe，Cu和Nb）合成了一系列的電催化劑。研究發現，這些催化劑對NO電化學合成NH₃表現出較高的活性。特別是，單原子Nb催化劑（Nb-SA/BNC）的NH₃產率為8.2×10^-8 mol cm^-2 s^-1，比最好的已報道的NRR催化劑高出了兩個數量級，且接近美國DOE目標。相關成果以“Ambient Electrosynthesis of Ammonia with Efficient Denitration”發表在Nano Energy雜志上，其中，天津理工大學博士生彭顯云為第一作者。

圖文簡介

圖一 Nb-SA/BNC催化劑的合成與微觀結構表征

（a）合成示意圖。

（b）XRD圖。

（c）FESEM圖。

（d，e）TEM圖像和SAED圖。

（f）HAADF-STEM圖。

（g）Nb的EDS圖及其相應的HAADF-STEM圖。

圖二 Nb-SA/BNC的原子結構分析

（a）Nb K邊的XANES光譜，Nb₂O₅和Nb箔是參考樣品。

（b）FT-EXAFS曲線。

（c）相應的EXAFS R空間擬合曲線，插圖是相應的EXAFS k空間擬合曲線。（d）Nb-SA/BNC的原子模型。

圖三 環境條件下Nb-SA/BNC的電催化NORR性能表征

（a）在0.1 M HCl水溶液中的NORR LSV極化曲線。

（b）在各電勢下的NH₃產率。

（c）不同催化劑的NH₃產率對比圖。

（d）Nb-SA/BNC在-0.6 V的i-t曲線。

（e）56小時計時安培法實驗前后五個連續的氨產率和法拉第效率。

圖四 Nb-SA/BNC的NORR的自由能圖和吸附中間體結構圖

文章鏈接：

Xianyun Peng, Yuying Mi, Haihong Bao, Yifan Liu, Defeng Qi, Yuan Qiu*, Longchao Zhuo, Shunzheng Zhao*, Jiaqiang Sun, Xiaolong Tang*, Jun Luo, and Xijun Liu*. Ambient Electrosynthesis of Ammonia with Efficient Denitration. Nano Energy 2020, 78, 105321.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520308983?dgcid=author

本文由天津理工大學天津理工大學羅俊教授-劉熙俊副研究員團隊供稿。