合成氨高能量效率的金单原子催化剂|Science Bulletin

Science Bulletin 2018年第19期以封面文章发表了中国科学技术大学吴宇恩课题组研究论文“Atomically dispersed Au₁ catalyst towards efficient electrochemical synthesis of ammonia”， 报道搭载原子级分散金原子的C₃N₄催化剂被合成应用于室温常压条件下的电化学合成氨反应。该催化剂在合成氨过程中观察到11.1%的法拉第效率, 超过了相同条件下大多数已经报道的催化剂。受益于单原子极高的原子利用率, 铵根离子的生成氨速率达到了1305 μg/(h mg_Au)。这大约是相同条件下负载金纳米颗粒的C₃N₄催化剂生成氨速率的22.5倍。作者使用合成的金单原子催化剂, 将氮气与氢气直接化合生成铵根离子, 整体能量利用率为 4.02 mmol/kJ。以上一系列研究证明了使用节能的电化学工艺代替哈勃法制氨是有潜力的。     

图1  以C₃N₄为基底负载金单原子, 得到了Au₁/C₃N₄; (a) 通过TEM表征看出Au₁/C₃N₄保持了C₃N₄的纳米片结构; (b) EDS表征揭示了Au, C和N在纳米片上均匀分布; 与球差电镜结果(c, d)一起表明了金原子的原子级分散。

图2 (a) XRD 图案显示Au₁/C₃N₄的低结晶性而Au NPs/C₃N₄有晶体特征峰; (b) EXAFS光谱证明了Au₁/C₃N₄上Au的原子级分散; 归一化的Au L3-边 XANES(c)和XPS(d)测试表明Au₁/C₃N₄中Au的价态大约为+1。

图3  (a) 进行氮还原测试的装置; (b) 与负载Au纳米颗粒的C₃N₄相比, 在施加电压−0.1到−0.5 V之间, Au₁/C₃N₄表现出更高的法拉第效率, Au₁/C₃N₄在−0.1 V时合成氨的法拉第效率达到了11.1%, 这是已知的类似条件合成氨反应的最大值; (c) Au₁/C₃N₄产氨速度经过对金质量的归一化达到了1305 μg/(h mg_Au), 这一数值是Au NPs/C₃N₄的22.5倍, 该性能也超越了大多数现有的研究。更高的平均金属质量(特别是贵金属)产率意味着更高的原子利用率, 也意味着更低的催化剂成本; (d) 最高的能量利用率可以达到4.02 mmol/kJ, 这一数值可以与哈勃法合成氨一较高下。

尽管取得了很高的能量利用率, 作者认为仍然需要克服一些障碍才能挑战哈勃法在合成氨行业中的地位。首先, 受限于水溶液中N₂的低溶解度, 缓慢的合成速率不能满足工业生产的需求; 其次, 由于吹气法导致的低N₂和H₂转化率。因此，我们未来的研究将致力于在提高电解速率和改善N₂和H₂循环系统。

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Xiaoqian Wang, Wenyu Wang, Man Qiao, Geng Wu, Wenxing Chen, Tongwei Yuan, Qian Xu, Min Chen, Yan Zhang, Xin Wang, Jing Wang, Jingjie Ge, Xun Hong, Yafei Li, Yuen Wu, Yadong Li. Atomically dispersed Au1 catalyst towards efficient electrochemical synthesis of ammonia. Science Bulletin, 2018, 63(19): 1246-1253

https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.07.005

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