天津理工Nano Energy：环境条件高效电化学脱硝制氨

引言

氨（NH₃）不仅是生产食品和化学品的重要基础原料，还是一种能源载体和潜在燃料。目前，室温和环境压力下电合成氨（NH₃）是高温高压Haber-Bosch工业过程的潜在替代方法。迄今为止仅氮还原反应（NRR）一种电化学方法被报道用于环境条件合成氨。然而，由于非极性N₂分子非常稳定，致使NRR的NH₃产率远低于美国能源部（DOE）的目标（9.3×10^-7 mol cm^-2·s^-1）。

成果简介

基于此，天津理工大学罗俊教授-刘熙俊副研究员团队和北京科技大学唐晓龙教授团队合作报道了一种单原子催化剂用于高效电化学NO还原合成氨。NO作为烟道气的主要成分，其占NO_x的比例高达95％。通常，NO是由固定式燃料（例如火力发电厂和工业锅炉），移动源（例如汽车尾气）以及化石燃料的其他燃烧过程产生的，是空气污染物的主要来源之一。之前的工作对硝酸盐，亚硝酸盐和NO的转化进行了广泛的研究，而催化剂通常被设计用来生产N₂而不是NH₃。这项工作提出了以在基础化学中具有重要意义的NH₃作为NO的还原产物，该策略不仅可以直接合成高价值的NH₃，而且可以解决由NO引起的污染（例如酸雨，光化学烟雾和臭氧层耗竭）。值得注意的是现有解决这些方案必须通过需要消耗大量NH₃的NH₃-SCR技术来实现NO的去除。

为了实现NORR策略，我们通过在B，N共掺杂的碳纳米管上组装多种单个金属原子（Al，Mn，Fe，Cu和Nb）合成了一系列的电催化剂。研究发现，这些催化剂对NO电化学合成NH₃表现出较高的活性。特别是，单原子Nb催化剂（Nb-SA/BNC）的NH₃产率为8.2×10^-8 mol cm^-2 s^-1，比最好的已报道的NRR催化剂高出了两个数量级，且接近美国DOE目标。相关成果以“Ambient Electrosynthesis of Ammonia with Efficient Denitration”发表在Nano Energy杂志上，其中，天津理工大学博士生彭显云为第一作者。

图文简介

图一 Nb-SA/BNC催化剂的合成与微观结构表征

（a）合成示意图。

（b）XRD图。

（c）FESEM图。

（d，e）TEM图像和SAED图。

（f）HAADF-STEM图。

（g）Nb的EDS图及其相应的HAADF-STEM图。

图二 Nb-SA/BNC的原子结构分析

（a）Nb K边的XANES光谱，Nb₂O₅和Nb箔是参考样品。

（b）FT-EXAFS曲线。

（c）相应的EXAFS R空间拟合曲线，插图是相应的EXAFS k空间拟合曲线。（d）Nb-SA/BNC的原子模型。

图三 环境条件下Nb-SA/BNC的电催化NORR性能表征

（a）在0.1 M HCl水溶液中的NORR LSV极化曲线。

（b）在各电势下的NH₃产率。

（c）不同催化剂的NH₃产率对比图。

（d）Nb-SA/BNC在-0.6 V的i-t曲线。

（e）56小时计时安培法实验前后五个连续的氨产率和法拉第效率。

图四 Nb-SA/BNC的NORR的自由能图和吸附中间体结构图

文章链接：

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

本文由天津理工大学天津理工大学罗俊教授-刘熙俊副研究员团队供稿。