我所实现高活性高稳定性硝酸盐电催化还原合成氨

　　近日，我所催化基础国家重点实验室碳基资源电催化转化研究组（523组）在电化学合成氨方面取得新进展，发展了一种一体化的无定形/晶型双相铜泡沫电极，并通过稳定催化剂中亚稳态的无定形结构，实现了安培级电流密度下长期稳定的硝酸盐电催化还原合成氨。

　　工业上合成氨通常采用哈伯-博施（Haber-Bosch）工艺，在高温（400℃至500℃）和高压（10 MPa至30MPa）下将氮气和氢气转化为氨（NH3），该过程约消耗全球1%至2%的能源，排放的二氧化碳约占全球1%。硝酸盐电催化还原反应（NO3−RR）利用可再生电能，将废水中的NO3−污染物转化为氨，是温和条件下合成氨的一条重要途径。NO3−还原生成NH3涉及多步质子电子转移过程，动力学速率缓慢，同时面临着竞争性析氢反应和亚硝酸盐副产物的生成。因此，亟需发展高活性、高选择性和高稳定性的NO3−RR合成氨催化剂。

　　本工作中，团队通过空气焙烧处理商品泡沫铜，制备出一种具有稳定无定形/晶型双相结构的一体化泡沫铜电极（a/c-Cu），实现了长期稳定高效的NO3−RR合成氨。在膜电极电解器的电压仅为2.6V时，NH3分电流密度达到3.33A/cm2，NH3生成速率达到15.5mmol/h/cm2。在1.5A/cm2的高电流密度下，a/c-Cu电极稳定运行300小时以上，NH3法拉第效率维持在90%左右。电化学原位谱学表征和密度泛函理论计算等机理研究结果表明，a/c-Cu电极中稳定存在的无定形铜畴区（amorphous Cu domain）是主要的催化活性位点。本工作发展的一体化电极制备方法简单，易于放大，电解性能优于传统粉末电极，利用面积为100cm2的一体化泡沫铜电极，在总电流160A时NH3生成速率高达11.9g/h。

　　相关研究成果以“Ammonia electrosynthesis from nitrate using a stable amorphous/crystalline dual-phase Cu catalyst”为题，于近日发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。电极制备方法已申请中国发明专利“一种用于膜电极体系硝酸根电催化还原制氨的双相铜泡沫电极及其制备方法和应用”。该工作的共同第一作者是我所523组博士研究生王毅和博士后王硕。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院B类先导专项“能源电催化的动态解析与智能设计”、辽宁省兴辽英才计划、大连市杰出青年科技人才支持计划、我所创新基金等项目的支持。