哈工大JMCA: 在室温常压下利用氮气合成氨

【引言】

合成氨工业被认为是20世纪最伟大的化学发明，在最初的合成氨反应只有极微量的0.005%氨产生，经过近一百年来科学家的不懈努力，实现了在高温（300-500^ºC）、高压（200-300个大气压）下工业化合成氨的化学反应流程和化学工艺，因为氨的重要性，诺贝尔奖委员会分别在1918年、1931年和2007年前后三次授予这个领域催化剂研究的科学家诺贝尔化学奖。但是当前工业化合成氨每吨氨的生产伴随着约1.87吨的CO₂的排放，在能源紧张同时CO₂排放受限的当下，如何节能减排成为了合成氨面临的巨大挑战。

【成果简介】

8月23日，该研究实现了常温、常压下，利用氮气和水为原料制备氨。研究成果以论文的形式发表在英国皇家化学会旗下的Journal of Materials Chemistry A（影响因子8.9）。鉴于研究成果的意义重大，该论文被选为热点论文（Hot paper）。论文题目为“在110晶面择优取向Mo纳米膜上低过电位还原N₂”(Electrochemical reduction of aqueous nitrogen (N₂) at a low overpotential on (110)-oriented Mo nanofilm)，通讯作者为哈工大副教授王志江。

【本文亮点】

王志江课题组采用电化学方法实现了低能耗、零CO₂排放的合成氨，采用 (110)晶面择优取向的金属钼为电催化剂，以大自然普遍存在的氮气和水为原材料，在常温常压下0.14 V的过电势条件下合成氨，电化学法拉第效率达到0.72%，最大氨合成速率达到3.09×10^-11mol s^-1cm^-2，报告的克服了以往的大多数电化学催化剂需要高的过电势，法拉第效率不足0.3%的缺点，是该领域的记录创造者和领跑者。该项研究对电化学催化合成氨领域的基础研究和优秀催化剂的开发将起到积极的推进作用。

图文导读

图1. 不同晶面择优取向Mo基催化剂的XRD图谱

(Mo-D-R-5h)电镀5h后酸洗处理的Mo基催化剂；

(Mo-D-R-1h)电镀1h后酸洗处理的Mo基催化剂；

(Mo-foil)商业Mo箔；

(Mo-A-R)阳极氧化再还原的Mo基催化剂；

图2. 不同晶面择优取向Mo基催化剂在不同电压下的法拉第效率(a)和产氨速率(b)

【工作小结】

本研究采用采用 (110)晶面择优取向的金属Mo为电催化剂，以大自然普遍存在的氮气和水为原材料，在常温常压下0.14 V的过电势条件下合成氨，电化学法拉第效率达到0.72%，最大氨合成速率达到3.09×10^-11mol s^-1cm^-2，是该领域已经报道的最大合成效率。本研究对电化学催化合成氨领域的基础研究和优秀催化剂的开发将起到积极的推进作用。

文献链接：Electrochemical reduction of aqueous nitrogen (N₂) at a low overpotential on (110)-oriented Mo nanofilm（JMCA,2017,DOI:10.1039/C7TA06139K）

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