孙旭平/唐波等，重磅Nature Synthesis！

2024年4月22日上午9:00 • 顶刊 • 阅读 53

第一作者：Kai Dong, Yongchao Yao

通讯作者：孙旭平、唐波、李权、Dongwei Ma

通讯单位：山东师范大学、电子科技大学、四川师范大学、河南大学等

论文速览

硝酸盐是一种用途广泛的化合物，广泛用于肥料、炸药、制药、染料和乳化剂等。目前，硝酸盐的生产主要依赖于传统的、能耗高的Haber–Bosch合成法和Ostwald氧化法。这些方法需要高温高压条件，导致大量能耗和温室气体排放。因此，开发一种新的、可持续的硝酸盐合成方法是化学和工业领域的重要挑战。

本研究提出了一种利用可再生电力驱动的电化学氮氧化反应（NOR），通过过氧化氢（H₂O₂）分解产生的羟基自由基（·OH）作为活性氧源，以替代传统的Haber-Bosch和Ostwald工艺，直接从氮气合成硝酸盐。

研究表明，该方法能够实现25.6%的法拉第效率和8.3 nmol s⁻¹ cm⁻²的硝酸盐产率。通过DEMS、HG-FTIR和EPR等技术，建立了一套综合的基准测试，以确认氮气活化的真实性并检验由·OH介导的反应机制。技术经济分析强调了所提出方法的可行性和可持续经济价值，为替代传统硝酸盐生产工艺提供了一种新的环境友好型途径。

图文导读

图1：展示了氧源和氮氧化反应（NOR）的热力学能垒。通过比较，·OH作为氧源在NOR中具有更高的氧化潜力，并且能够通过Pd(111)表面的低能量路径有效生成。

图2：通过原位差分电化学质谱（DEMS）、高分辨率气相傅里叶变换红外光谱（HG-FTIR）和电子顺磁共振（EPR）光谱，建立了一套标准化的测试程序，用于排除氮污染引起的假阳性。

图3：展示了电化学性能和反应机理。通过引入H₂O₂，显著降低了NOR的过电位，并提高了法拉第效率和硝酸盐产率。

图4：扩展了催化剂的应用范围，展示了十种不同催化剂在H₂O₂介导的NOR中的性能提升。

图5：进行了技术经济评估，展示了利用可再生电力通过电化学流电池生产NO₃⁻的潜在经济优势。

总结展望

本研究成功开发了一种过氧化氢介导的氮气电化学氧化合成硝酸盐的新方法，该方法具有较低的起始电位和较高的法拉第效率。

通过原位表征技术确认了氮气活化的真实性，并揭示了·OH在氮气氧化过程中的关键作用。此外，该方法的可持续性和经济性分析显示了其替代传统硝酸盐生产工艺的潜力。

这项工作不仅为合成硝酸盐提供了一种新的环境友好型途径，也为电催化氧化反应提供了新的视角，有望推动相关工业过程的绿色可持续发展。

文献信息

标题：H₂O₂-mediated electrosynthesis of nitrate from air

期刊：Nature Synthesis

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