光電催化二氧化碳的研究背景（間歇性脈衝電催化實現高效電化學固氮合成氨和硝酸）

2023-04-20 04:09:37 1

氮是空氣中最多的元素，是組成胺基酸的基本元素之一，在生物體內具有極大作用。如何實現高效的氮氣固定，長久以來被視為「化學的聖杯」之一。近日，青島大學的丁欣和劉霞等人在電催化固氮領域取得重要進展，首次通過間歇性脈衝電催化實現二電極體系高效電化學固氮同時合成氨和硝酸。

生物體中的氮元素根源於生物固氮酶和閃電生成銨鹽和硝酸鹽。工業上，氨氣（銨鹽主要原料）主要來源於100年前發展的Haber–Bosch工藝，然後氨氣進一步通過Ostwald工藝合成HNO3。然而，這兩種工藝需要的生產條件都非常苛刻，消耗大量的能源，並且排出大量的溫室氣體。據統計，每年生產氨和硝酸所需的能耗佔化工行業能源消耗的12%，排放溫室氣體更是高達4.6億噸。尋求溫和、綠色的合成氨和硝酸工藝，實現可持續/分布式循環氮經濟，對我國的碳中和戰略具有重要意義。電催化固氮反應，利用水和氮氣進行的電化學氮氣還原反應製備氨氣 (NRR) 和氮氣氧化反應合成者硝酸 (NOR)，可以直接將可再生能源產生的電能轉化為易於儲存和運輸的氨氣或者硝酸，並保證二氧化碳的零排放，為解決當前嚴峻的能源和環境問題提供了新的思路。然而，固氮反應和水裂解副反應間的動力學差異導致催化選擇性低、活性差。如何實現高選擇性氮氣定向轉化一直是阻礙該領域發展的重大挑戰。

該團隊將氮氣活化理論分為水裂解生成活性氫、活性氧的電化學過程和活性中間體與氮氣作用的非電化學過程，並基於反應特點差異，開創性的將非連續的脈衝電催化應用於電催化固氮領域：通過周期性的脈衝策略周期性更新能斯特擴散層活性物質濃度，增強氮氣和活性中間體的供應；緩解複雜電化學反應中各基元反應間的動力學差異，實現二電極體系的高效氮氣還原氧化 (NOR選擇性提升44.94倍，NRR選擇性提升7.8倍)。該工作為動力學差異的多步耦合反應的電催化過程傳質優化、選擇性提升提供了新的研究思路。

Pulsed Electrocatalysis Enabling High Overall Nitrogen Fixation Performance for Atomically Dispersed Fe on TiO2

Mingxia Guo,# Long Fang,# Linlin Zhang, * Mingzhu Li, Meiyu Cong, Xiping Guan, Chuanwei Shi, ChunLei Gu, Xia Liu, * Yong Wang, Xin Ding*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202217635

研究團隊簡介

丁欣，碩士生導師，青島大學特聘教授。2015年畢業於大連理工大學精細化工國家重點實驗室，師從瑞典皇家工程院院士、中國科學院外籍院士孫立成教授。2015-2016年於中科院青島生物能源與過程研究所任助理研究員。2016年10月起工作於青島大學化學化工學院，主要從事氮氣資源的綜合利用（氮氣還原、氮氣氧化、氮氣的有機化轉化等）的研究工作。近三年，以通訊作者身份在Angew. Chem. Int. Ed. (2篇), Adv. Mater., J. Energy Chem. (2篇), Chem. Commun. (3篇)等國內外知名期刊發表高水平論文18篇。先後主持國家自然科學基金、山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金等科研基金項目等6項。被聘為國際期刊《eScience》青年編委、《Advanced Power Materials》青年工作委員。

https://www.x-mol.com/university/faculty/160726

劉霞，碩士生導師，青島大學特聘教授。主要從事能源與環境催化理論、水汙染控制工程與資源化利用等方面研究。先後在Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Environ. Sci. Technol. 等期刊以一作或通訊作者身份發表25篇，其中八篇入選高被引論文，總引次數超過2500次，H-index為24。先後主持國家自然科學青年基金、湖南省自然科學青年基金、中國博士後面上基金、青島大學人才引進基金等項目。