- 高效電催化合成氨研究獲突破
- 發(fā)布日期：2021-03-11
3月3日獲悉，從中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所傳出消息，該所張海民研究員團(tuán)隊(duì)在常溫常壓下電催化氮?dú)膺€原研究方面取得重大進(jìn)展，構(gòu)筑了一種新型無(wú)負(fù)載流動(dòng)相電催化體系，用于高效電還原合成氨，該研究工作為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)高效電催化劑和電催化體系提供了新思路。
張海民介紹：“我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的新型無(wú)負(fù)載流動(dòng)相電催化體系，大幅度提高了納米點(diǎn)催化劑的利用效率，避免了因納米點(diǎn)在負(fù)載電極上的團(tuán)聚現(xiàn)象引起的催化活性位點(diǎn)的減少，同時(shí)，N?在Ag納米點(diǎn)催化劑表面的吸附發(fā)生在溶液中，吸附性能大大提高，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不受電場(chǎng)的影響，進(jìn)而提高了合成氨產(chǎn)率。”
目前，大多數(shù)電催化劑的制備方式主要是通過(guò)黏接劑將催化劑負(fù)載到電極基體上。然而，在反應(yīng)過(guò)程中，修飾在電極表面的催化劑容易發(fā)生失活、脫落或團(tuán)聚等現(xiàn)象，導(dǎo)致單位質(zhì)量的活性位點(diǎn)減少。此外，N?的吸附和NH3的脫附都發(fā)生在電極表面，電場(chǎng)的存在可能會(huì)引起反應(yīng)動(dòng)力學(xué)變慢，最終導(dǎo)致氨產(chǎn)率和選擇性較低。
為解決上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)前期在電催化氮還原合成氨的研究基礎(chǔ)上，與液相激光加工與制備實(shí)驗(yàn)室合作，利用液相激光熔蝕法，制備出小尺寸銀納米點(diǎn)(AgNDs)催化劑。通過(guò)將AgNDs分散在電解液中，以鈦網(wǎng)為集流體，構(gòu)筑出一種新型的無(wú)負(fù)載流動(dòng)相電催化體系。在此體系中，通過(guò)激光快速淬冷制備的AgNDs具有較高的反應(yīng)活性，小尺寸納米點(diǎn)可以提供大量的活性位點(diǎn)。
研究人員利用AgNDs可高度分散在水溶液中這一特點(diǎn)，將制備的AgNDs催化劑分散在電解質(zhì)溶液中，具有大量催化活性位點(diǎn)的AgNDs能夠有效吸附電解液中溶解的N?分子。在電催化合成氨反應(yīng)中，吸附了N?分子的AgNDs會(huì)碰撞到鈦網(wǎng)集流器上形成NH?。最后，隨著NH?分子的脫附，AgNDs在溶液中再生這種無(wú)負(fù)載流動(dòng)相電催化體系增大了AgNDs催化活性位點(diǎn)的利用率，避免了因AgNDs在負(fù)載電極上的團(tuán)聚現(xiàn)象引起的催化活性位點(diǎn)的減少。此外，N?的吸附和NH?的脫附發(fā)生在溶液中，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不受電場(chǎng)的影響。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AgNDs催化劑在無(wú)負(fù)載流動(dòng)相電催化體系下，產(chǎn)率相比于傳統(tǒng)負(fù)載體系提高了7.5倍。
張海民進(jìn)一步介紹說(shuō)，為進(jìn)一步提高無(wú)負(fù)載流動(dòng)相電催化體系的法拉第效率，他們還對(duì)鈦網(wǎng)集流體表面改性富氧空位氧化鈦層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，表面氧化鈦層不僅降低了陰極電流，還為NRR反應(yīng)提供了額外的催化活性位點(diǎn)，因此反應(yīng)體系的法拉第效率提高了2倍。此外，他們還開(kāi)發(fā)了一種S-型鈦板兩電極反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)式兩電極反應(yīng)。
