我所實現高活性高穩定性硝酸鹽電催化還原合成氨

　　近日，我所催化基礎國家重點實驗室碳基資源電催化轉化研究組（523組）在電化學合成氨方面取得新進展，發展了一種一體化的無定形/晶型雙相銅泡沫電極，并通過穩定催化劑中亞穩態的無定形結構，實現了安培級電流密度下長期穩定的硝酸鹽電催化還原合成氨。

　　工業上合成氨通常采用哈伯-博施（Haber-Bosch）工藝，在高溫（400℃至500℃）和高壓（10 MPa至30MPa）下將氮氣和氫氣轉化為氨（NH3），該過程約消耗全球1%至2%的能源，排放的二氧化碳約占全球1%。硝酸鹽電催化還原反應（NO3?RR）利用可再生電能，將廢水中的NO3?污染物轉化為氨，是溫和條件下合成氨的一條重要途徑。NO3?還原生成NH3涉及多步質子電子轉移過程，動力學速率緩慢，同時面臨著競爭性析氫反應和亞硝酸鹽副產物的生成。因此，亟需發展高活性、高選擇性和高穩定性的NO3?RR合成氨催化劑。

　　本工作中，團隊通過空氣焙燒處理商品泡沫銅，制備出一種具有穩定無定形/晶型雙相結構的一體化泡沫銅電極（a/c-Cu），實現了長期穩定高效的NO3?RR合成氨。在膜電極電解器的電壓僅為2.6V時，NH3分電流密度達到3.33A/cm2，NH3生成速率達到15.5mmol/h/cm2。在1.5A/cm2的高電流密度下，a/c-Cu電極穩定運行300小時以上，NH3法拉第效率維持在90%左右。電化學原位譜學表征和密度泛函理論計算等機理研究結果表明，a/c-Cu電極中穩定存在的無定形銅疇區（amorphous Cu domain）是主要的催化活性位點。本工作發展的一體化電極制備方法簡單，易于放大，電解性能優于傳統粉末電極，利用面積為100cm2的一體化泡沫銅電極，在總電流160A時NH3生成速率高達11.9g/h。

　　相關研究成果以“Ammonia electrosynthesis from nitrate using a stable amorphous/crystalline dual-phase Cu catalyst”為題，于近日發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。電極制備方法已申請中國發明專利“一種用于膜電極體系硝酸根電催化還原制氨的雙相銅泡沫電極及其制備方法和應用”。該工作的共同第一作者是我所523組博士研究生王毅和博士后王碩。上述工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院B類先導專項“能源電催化的動態解析與智能設計”、遼寧省興遼英才計劃、大連市杰出青年科技人才支持計劃、我所創新基金等項目的支持。