大连理工邱介山/于畅JACS: 剖幽析微：探究等离子级联N2氧化-电还原系统中增强NH3合成机制

等离子体辅助的集成/级联N₂氧化和电催化NO_x^–(其中x = 2，3)还原反应(pNOR-eNO_x^–RR)对于氨(NH₃)的可再生合成具有很大的前景。但等离子体对N₂和O₂分子的活化作用和以及通过eNO_x^–RR合成NH₃的机理尚不清楚，这在很大程度上限制了该工艺大规模部署。基于此，大连理工大学邱介山和于畅等报道了一种等离子体级联pNOR-eNO_x^–RR集成系统，它将等离子体技术的优势与电化学反应相结合，用于使用N₂、O₂和H₂O分子进行NH₃电合成。

研究人员使用铜(Cu)纳米颗粒作为代表性电催化剂，系统地研究了N₂和O₂分子的等离子体激活和重组过程，并且解耦了eNO_x^–RR在微观水平上的机理。结果表明，pNOR系统中产生的NO_x浓度与火花放电长度以及N₂和O₂进料气体的体积比呈现出函数关系。通过原位红外光谱和拉曼光谱监测到NO_x^–的连续质子化过程和eNO_x^–RR的关键含N中间体(例如-NH₂)，并进一步揭示了铜纳米粒子在eNO_x^–RR过程中的动态重建过程。

通过优化系统参数(放电距离为2.0 cm，进料N₂/O₂体积比为1:1)，Cu纳米颗粒驱动的pNOR-eNO_x^–RR系统最终可以实现约40 nmol s^-1 cm^-2的高NH₃产率和接近90%的法拉第效率。综上，预计这项工作将促进pNOR-eNO_x^–RR系统的实际开发，以实现在环境条件下直接从空气和水中绿色电合成NH₃。

Microscopic-Level Insights into the Mechanism of Enhanced NH₃ Synthesis in Plasma-Enabled Cascade N₂ Oxidation-Electroreduction System. Journal of the American Chemical Society, 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c00089