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^-7mol 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滚球体育 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^-8mol cm^-2s^-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 Energy2020, 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。