电化学合成氨，今日重磅Science！

氨(NH₃)是世界上大量生产的化学物质之一，年产量超过1.82亿吨，主要用作合成肥料(~80%)。它是化学工业中所有活性氮的来源，但最近它也是被认为是非碳的能量载体。目前，氨是由氮气和和氢气通过热催化Haber-Bosch过程产生的，这在苛刻的条件下操作(350-450°C, 100-200 bar)，需要大型工厂和高资本投资。为了满足商业需求，约占全球能源消耗的1%左右在该工艺中使用。另外，Haber-Bosch工艺约占每年的二氧化碳排放量的1.3%，因为提供的H₂来源于甲烷的蒸汽转化。

通过电化学合成氨是一种环境友好的，有望替代传统路径的方法。通过风能或太阳能等可再生能源提供电能，将氮气转化为氨。最近，锂介导电化学合成氨取得了很大的进步。然而，该领域受到各种问题的阻碍。

（1）大部分的Li-NRR研究在单室间歇反应釜中进行，存在明显的气体反应物传质限制，N₂和H₂必须溶于电解液才能参与反应，导致常压条件下的电化学合成氨的性能较差（FE和EE都在10%以下）。

（2）在单室间歇反应釜中是间歇性的产氨，难以放大生产。

（3）几乎目前所有的锂介导电化学合成氨的阳极都在氧化溶剂作为质子源，而且在单室间歇反应釜中难以利用氢气氧化反应（HOR）作为可持续的质子源，H₂会与金属锂反应。

第一作者：付先彪，Jakob Bruun Pedersen，周院院

通讯作者：Jens K. Nørskov教授，Ib Chorkendorff教授

基于这些挑战和难题，丹麦科技大学Jens K. Nørskov教授和Ib Chorkendorff教授等人设计了有效面积为25 cm²的连续流电解池，采用规整孔尺寸的不锈钢网作为气体扩散电极来避免传质限制，氮气还原（NRR）耦合氢气氧化（HOR），在常温常压条件下，实现了61%的法拉第效率，13%的能量效率。开发了在有机溶剂中稳定催化HOR的PtAu合金催化剂，PtAu合金催化剂极大降低了阳极电位，避免了溶剂的氧化。通过原位同位素质谱实验（D₂氧化），证明了氨中的氢来自于HOR，EtOH作为质子穿梭剂。

2021年Science：丹麦技术大学Ib Chorkendorff和Jens K. Nørskov最新Science：电化学合成氨

相关工作以《Continuous-flow electrosynthesis of ammonia by nitrogen reduction and hydrogen oxidation》为题在《Science》上发表论文。

论文亮点

（1）首先构建了一个三室连续流反应器（有效面积25 cm²），通过使用不锈钢网作为气体扩散电极（GDE）来克服气体传质限制。并且成功在阳极引入了HOR作为可持续的质子源。

（2）针对有机电解液中Pt催化HOR中毒的问题（稳定性问题），开发了高活性且抗中毒的PtAu合金催化剂。该催化剂有效降低了阳极电位，增加了锂介导体系的整体稳定性（10 h）。

（3）通过同位素标记（D₂氧化）原位质谱实验，证明了所合成的氨中的氢来自于HOR，而非来自氧化有机溶剂，并证明了乙醇作为质子穿梭剂的能力。

（4）采用了电位循环法和质子/氮气限制区域的权衡策略提高锂介导合成氨的性能，在常温常压条件下，实现了61%的法拉第效率，13%的能量效率。

图文介绍

图1. 用于电化学合成氨的连续流反应器的示意图和Li-NRR过程示意图

图2. HOR催化剂的理论和实验探究

图3.同位素标记（D₂氧化）原位质谱分析

图4. 电位循环法和质子/氮气限制区域的权衡策略提高锂介导合成氨的性能

文献信息

题目：Continuous-flow electrosynthesis of ammonia by nitrogen reduction and hydrogen oxidation，Science, (2023).

链接：https:// 10.1126/science.adf4403

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/12/1ca805b840/

电化学合成氨，今日重磅Science！

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