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非金属电催化剂环境条件下氮还原反应的研究进展 被引量:7
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作者 许桐 马奔原 +7 位作者 梁杰 岳鲁超 刘倩 李廷帅 赵海涛 罗永岚 卢思宇 孙旭平 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2021年第7期103-123,共21页
在现代社会中氨是一种重要的工业原料,广泛应用于化工业、塑料制造,炸药以及染料等行业。由于氨气中不含碳,氢容量大、能量密度高且易于运输,已经被视为一种绿色能源替代品。Haber-Bosch方法在全球合成氨中起着主导作用,但其过程在高温... 在现代社会中氨是一种重要的工业原料,广泛应用于化工业、塑料制造,炸药以及染料等行业。由于氨气中不含碳,氢容量大、能量密度高且易于运输,已经被视为一种绿色能源替代品。Haber-Bosch方法在全球合成氨中起着主导作用,但其过程在高温高压条件下进行,且伴随着高能耗和CO_(2)排放的问题。电催化氮还原反应(NRR)有望成为常规条件下低成本且环境无害的替代方法,且具有太阳能、风能和其他可再生能源相同的应用潜力。然而,由于惰性的N≡N键,它需要有效的电催化剂来驱动氮气-氨气的转化。迄今为止,人们一直在努力探索高性能催化剂,以实现高效率和选择性。通常,贵金属催化剂具有较高的NRR效率,但是稀缺性和高成本限制了它们的大规模应用。因此,人们将注意力集中在丰富的过渡金属(TM)催化剂上,该催化剂可以通过空的轨道接受氮气分子的孤对电子,同时提供丰富的d-轨道电子进入氮气的反键轨道。然而,这些催化剂可能释放金属离子,导致环境污染,并且大多数金属电催化剂也可能促进金属与氢成键,从而在电催化反应过程中促进了析氢反应(HER)。近年来,非金属催化剂已经成为一个研究热点。非金属催化剂主要包括碳基催化剂(CBC)以及一些硼基和磷基催化剂。通常,碳基催化剂具有多孔结构和较大的表面积,这有利于暴露更多的活性位点,并为质子和电子的传递提供了丰富的通道。本文总结了近期非金属电催化剂(MFCs)在电化学NRR中的设计和发展状况,包括碳基、硼基和磷基催化剂。此外,大多数非金属化合物的路易斯酸位也可以接受氮气的孤对电子并通过形成非金属和氮成键来吸附氮气分子,从而进一步扩大了它们在电催化NRR中的潜力。与金属基催化剂相比,非金属催化剂的占据轨道只能形成共价键或共轭π键,从而阻碍了电子从催化剂到氮气分子的转移以及分子的活化。我们重点讨论了掺杂型催化剂(N,O,S,B,P,F掺杂以及共掺杂)、有机聚合物、氮化碳及缺陷和表面修饰催化剂。最后,我们还讨论了提高NRR性能的方法,展望了非金属电催化剂的发展前景。 展开更多
关键词 电化学 非金属催化剂 环境条件 氮还原反应 氨合成
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氮还原反应中氨定量假阳性结果的来源与消除方法
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作者 李雅 王震康 +4 位作者 季浩卿 张莉芳 钱涛 晏成林 路建美 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第1期50-66,共17页
氨(NH_(3))广泛应用于化肥等工业化学品的生产中,年消耗量巨大.同时,氨具有高氢含量和高能量密度,可作为清洁能源载体和燃料,具有广阔的应用前景.因此,合成氨工业在国民经济和社会发展中起着重要作用.目前,合成氨的主要采用传统的Haber-... 氨(NH_(3))广泛应用于化肥等工业化学品的生产中,年消耗量巨大.同时,氨具有高氢含量和高能量密度,可作为清洁能源载体和燃料,具有广阔的应用前景.因此,合成氨工业在国民经济和社会发展中起着重要作用.目前,合成氨的主要采用传统的Haber-Bosch工艺,但其严苛的操作条件导致了大量能源消耗和二氧化碳排放,进一步加剧了全球变暖.在全球能源危机和环境问题的背景下,开发可再生能源驱动的绿色高效氨合成技术受到广泛关注.其中,以光催化和电催化为动力的氮还原反应(NRR)被认为是最有前途的方法之一.然而,由于N_(2)吸附动力学缓慢,N≡N键分裂困难且析氢反应严重,目前电催化和光催化氮还原的产率和法拉第效率都较低.近年来,得益于各种催化剂和电解液的发展,NRR产率和法拉第效率不断提升,但也逐渐暴露出一些严重的问题——测试结果呈现高波动性和低重复性,甚至假阳性,这使得人们对NRR的发展前景产生了怀疑.由于NRR反应的产量极低(通常为纳/微摩尔水平),所以反应过程中的微量污染都可能严重影响NH_(3)的定量结果,从而导致对NRR反应体系性能的误判.因此,如何保证得到的产物NH_(3)完全来自于氮气的还原是一个难题.本文基于NRR反应整个检测流程中的污染源和不确定性,包括来自反应物和实验装置中的杂质,各种定量方法的固有缺陷,甚至一些细微的定量仪器误差等,将影响氨定量的潜在因素细分为催化剂污染、实验过程中引入的污染以及量化方法的固有缺陷等,详细讨论了这些潜在因素如何干扰氨的最终定量结果,并总结了已报道的相应消除干扰策略.此外,结合本课题组在NRR领域的研究经验,提出了一套严格的NRR检测办法,该办法针对NRR检测的三个阶段:检测前、检测中和定量过程,提出了相应建议.最后,对该领域的未来发展进行了展望,提出一些关键问题和发展方向,希望能为促进NRR研究发展提供一些借鉴. 展开更多
关键词 氮还原反应 氨定量 假阳性 污染 同位素
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电催化还原氮制氨的最新进展
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作者 海广通 富忠恒 +1 位作者 刘欣 黄秀兵 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第5期107-127,共21页
氮还原反应在生态系统、农业系统和工业氮循环中发挥着至关重要的作用.然而,由于氮气在水中的溶解度低,N≡N三键结构稳定,且存在与析氢反应的激烈竞争,因此目前电化学氮还原反应面临着产率缓慢、法拉第效率低等挑战.尽管研究者们通过不... 氮还原反应在生态系统、农业系统和工业氮循环中发挥着至关重要的作用.然而,由于氮气在水中的溶解度低,N≡N三键结构稳定,且存在与析氢反应的激烈竞争,因此目前电化学氮还原反应面临着产率缓慢、法拉第效率低等挑战.尽管研究者们通过不懈的努力已经在该领域取得了显著的进展,但距离其实际应用仍有较大差距.因此,如何通过多方面的调控手段,尽早实现人工固氮的工业化生产,成为当前该领域亟待解决的关键问题.本文系统梳理了电催化还原氮制氨的最新进展.首先,对NRR的机理进行了全面介绍.详细介绍了五种备受关注的氮还原机理:解离机理、结合机理、交替机理、酶促机理以及最新发现的马尔斯-范克雷维伦机理.通过对比电催化氮还原与哈珀法催化氮还原的反应机理,阐明了电催化氮还原的优势.然后,总结了该领域最新的研究进展.详细介绍了高性能氮还原催化剂的最新设计开发成果,基于近五年的相关报道,重点介绍了Mo基催化剂、Cu基催化剂、Ru基催化剂、Bi基催化剂和Fe基催化剂的研究进展.此外,对其他过渡金属基催化剂和非金属催化剂也进行了评述和展望,并对不同催化剂的优缺点进行了系统的比较.随后,对新型氮还原反应装置的研究进展进行了综述.讨论了新型反应器对缓解氮分子低溶解度这一问题的关键作用,强调了研发新型氮还原反应装置对提升电催化氮还原性能的重要性.在NRR反应路径的调控和优化方面,本文总结了最新的研究成果,特别是Li介导的氮还原反应的重要意义,证实了反应路径的调控优化是提升氮还原性能的有效手段.更为重要的是,从目前最新的研究成果出发,提出了氮还原性能的提升需要多方面的协同调控,单一的优化手段难以突破现有的瓶颈,这为后续的研究提供了重要参考.在展望部分,强调了氮还原领域目前面临的挑战并讨论了未来的研究方向.综上,本文系统地总结了近年来的研究进展,包括高性能催化剂、新型反应设备以及氮还原反应路径的调控和优化.提升氮还原反应的整体性能需要多方面的协调调控,仅关注催化剂很难取得重大突破.本文旨在为氮还原催化剂和反应器的设计以及反应路径的调控优化提供参考. 展开更多
关键词 氮还原反应 电催化 催化剂 反应设备 反应途径
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电化学一氧化氮还原合成氨催化剂的研究进展
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作者 赵云彩 张翔宇 《材料科学》 2024年第2期152-160,共9页
氨(NH3)用途广泛,在农肥中用作氮源,是许多工业过程的化学原料,也是一种绿色的氢载体。电催化一氧化氮(NO)还原为环境合成NH3提供了一种极有前景的策略。本文综述了电化学过程中各种催化剂对一氧化氮还原为氨的影响。材料主要分为两大类... 氨(NH3)用途广泛,在农肥中用作氮源,是许多工业过程的化学原料,也是一种绿色的氢载体。电催化一氧化氮(NO)还原为环境合成NH3提供了一种极有前景的策略。本文综述了电化学过程中各种催化剂对一氧化氮还原为氨的影响。材料主要分为两大类:金属基催化剂和二维材料催化剂。 展开更多
关键词 氨合成 一氧化氮还原反应 金属基催化剂 二维材料催化剂
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氮的氧化还原反应实验改进
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作者 李坚毅 《教育与装备研究》 2019年第7期50-51,共2页
介绍了氮的氧化还原反应的连续实验,包括铜与稀硝酸、一氧化氮与氧气、二氧化氮与水的改进实验。
关键词 的氧化还原反应 铜与稀硝酸 U形启普发生器
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交流磁场对M-BTC材料电化学氮还原(NRR)性能的影响
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作者 高朋召 张佩 +5 位作者 李玉玲 马冯 覃航 刘小磐 郭文明 肖汉宁 《湖南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期162-171,共10页
本文采用水热法合成了四种MOFs催化剂,分别通过XRD、SEM及IR表征了催化剂的组成和微观结构,进而研究了催化剂的NRR活性,最后探究了交流磁场对催化剂NRR活性的影响及作用机制.结果表明:四种催化剂中,Fe-BTC在-0.376 V(vs.RHE)和80℃时具... 本文采用水热法合成了四种MOFs催化剂,分别通过XRD、SEM及IR表征了催化剂的组成和微观结构,进而研究了催化剂的NRR活性,最后探究了交流磁场对催化剂NRR活性的影响及作用机制.结果表明:四种催化剂中,Fe-BTC在-0.376 V(vs.RHE)和80℃时具有最高的氨产率和法拉第效率,分别为3.63×10^(-10) mol s^(1) cm^(-2)和0.31%;在恒电位下,当交流磁场的强度为4.355 mT,频率为50 kHz时,催化剂的氨产率和法拉第效率最大,分别为3.61×10^(-9) mol s^(-1) cm^(-2)和5.67%,比无磁场时分别提高约10倍和18倍,这种增效一方面源于交流磁场增加了N_(2)在Fe-BTC表面的吸附量,另一方面,交流磁场产生的感应电动势与电场本身的电势的叠加作用,为NRR反应提供了额外能量所致. 展开更多
关键词 电催化氮还原反应 金属有机框架 交流磁场 氨产率 法拉第效率
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Ru基氮还原电催化剂性能调控策略 被引量:3
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作者 张谭 刘光 +1 位作者 李晋平 孙予罕 《化工学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第6期2264-2280,共17页
氨是重要的化学品以及理想的能源载体,人工合成氨主要来源于高能耗的Haber-Bosch(H-B)工艺。相比而言,电催化合成氨以N_2和H_2O为原料,实现了温和条件下产氨。Ru基催化剂在氮还原(NRR)过程中表现出优异的催化活性,但由于较为稀缺限制了... 氨是重要的化学品以及理想的能源载体,人工合成氨主要来源于高能耗的Haber-Bosch(H-B)工艺。相比而言,电催化合成氨以N_2和H_2O为原料,实现了温和条件下产氨。Ru基催化剂在氮还原(NRR)过程中表现出优异的催化活性,但由于较为稀缺限制了其发展。基于此,首先概述了NRR的反应机制并对现有的Ru基合成氨电催化剂进行了系统的介绍;详细分析了性能提升策略(结构调控、表/界面工程、缺陷工程),如何调控活性组分或电子结构,进而提升催化剂的性能;最后分析了Ru基催化剂所面临的挑战。旨在通过Ru基催化剂性能提升策略,实现贵金属Ru的高效利用,并为其他NRR催化剂的开发设计提供指导。 展开更多
关键词 催化剂 催化 电化学 合成氨 氮还原反应 性能提升策略
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电催化氮还原合成氨电化学系统研究进展 被引量:18
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作者 刘恒源 王海辉 徐建鸿 《化工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期32-45,共14页
氨是化肥、涂料等领域中重要的化工原料,是产量第二高的商用化学品。目前,90%以上的氨均来自Haber-Bosch法,该工艺需要高温、高压条件,能耗较高,且依赖化石燃料的使用,产生大量CO_(2)排放,在倡导节能环保的新时代下,该工艺面临严重的能... 氨是化肥、涂料等领域中重要的化工原料,是产量第二高的商用化学品。目前,90%以上的氨均来自Haber-Bosch法,该工艺需要高温、高压条件,能耗较高,且依赖化石燃料的使用,产生大量CO_(2)排放,在倡导节能环保的新时代下,该工艺面临严重的能耗及环保问题。电催化氮还原合成氨工艺是一种采用电能驱动的节能工艺,且原料为绿色环保的H_(2)O和N_(2),其有望替代传统合成氨工艺。但是目前该工艺存在一些技术难点有待突破,使其产氨速率、法拉第效率等性能不高,距离商用化生产差距较大。分析总结了该工艺的技术难点,围绕该领域的优化策略,重点综述了针对合成氨电化学系统的改进措施,以及近几年文献报道的研究进展,最后对该领域的未来发展进行展望。 展开更多
关键词 电化学 催化 化学过程 氮还原反应 氨合成 电化学系统
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常温常压电催化氮还原合成氨的研究进展 被引量:2
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作者 尹宏利 吕宪伟 +2 位作者 邱书伟 任铁真 袁忠勇 《石油学报(石油加工)》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期953-966,共14页
电催化氮还原反应(NRR)可以在环境条件下将N 2和H 2O转化为NH 3,是一种很有前途的固氮催化体系。然而,由于缺乏高效的催化剂,将电催化氮气还原合成氨工业化还难以实现。为此,深入了解NRR过程至关重要。笔者介绍了NRR的反应机理,阐述了NR... 电催化氮还原反应(NRR)可以在环境条件下将N 2和H 2O转化为NH 3,是一种很有前途的固氮催化体系。然而,由于缺乏高效的催化剂,将电催化氮气还原合成氨工业化还难以实现。为此,深入了解NRR过程至关重要。笔者介绍了NRR的反应机理,阐述了NRR电催化剂的分类、特点及研究现状,分析了NRR电催化剂催化活性的影响因素。研究表明,孔结构发达、活性中心分散良好的材料具有较好的催化活性,杂原子掺杂、创造空位、界面修饰等是提高催化剂活性的有效手段。最后对电催化氮气还原技术的发展趋势进行了展望,研发高活性、高性价比、稳定性好的新型催化剂是未来发展的主要方向。通过对不同催化体系的论述,为后续NRR电催化剂的开发与改进提供思路。 展开更多
关键词 电催化 氮还原反应 电催化剂 合成氨 反应机理
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电催化氮还原用非贵金属基催化剂的研究现状 被引量:1
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作者 何治锋 杜玥瑶 +2 位作者 姜宇晨 马方伟 田春贵 《黑龙江大学自然科学学报》 CAS 2022年第6期659-672,F0003,共15页
电催化氮还原反应(Nitrogen reduction reaction,NRR)可以在常温常压环境下将N2还原为NH3,是最有希望代替传统Haber-Bosch法的技术之一。目前,由于缺乏高效催化剂,电催化NRR难以实现工业化,亟需探索和设计高效的催化剂。本综述总结了非... 电催化氮还原反应(Nitrogen reduction reaction,NRR)可以在常温常压环境下将N2还原为NH3,是最有希望代替传统Haber-Bosch法的技术之一。目前,由于缺乏高效催化剂,电催化NRR难以实现工业化,亟需探索和设计高效的催化剂。本综述总结了非贵金属基催化剂在电催化NRR应用中的最新进展,包括氧化物、硫化物、碳化物和氮化物等,阐述了元素掺杂、空位、形貌和异质结构等对催化剂电催化NRR性能的影响规律和研究现状。讨论了提高电催化NRR效率的方法,提出了不同催化剂存在的问题并指出了相关解决方案,为后续NRR电催化剂的发展和改进提供了新思路。 展开更多
关键词 电催化氮还原反应 合成氨 过渡金属非贵金属催化剂 产氨率 法拉第效率
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常温常压下氮气还原合成氨催化剂的研究进展 被引量:2
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作者 李莎莎 李雯 《现代化工》 CAS CSCD 北大核心 2019年第10期46-50,共5页
介绍了N2还原合成NH3催化剂的2种催化反应机理:缔合途径和解离途径。综述了近年来电催化剂(贵金属、过渡金属和非金属)和光催化剂最新研究进展,最后对该新型领域催化剂的设计进行了展望。
关键词 氮还原反应 机理 电催化剂 光催化剂
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过渡金属纳米材料在电催化氮还原中的应用 被引量:1
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作者 陈语馨 顾佳俊 《中国材料进展》 CAS CSCD 北大核心 2022年第8期617-623,共7页
氨是一种重要的化工原料和新型储能物质,但其传统生产流程能耗巨大,且会排放大量的温室气体CO_(2)。为了使人工产氨绿色化、环保化,电催化氮还原反应(nitrogen reduction reaction,NRR)成为了最具发展前景的人工产氨技术手段之一,但目... 氨是一种重要的化工原料和新型储能物质,但其传统生产流程能耗巨大,且会排放大量的温室气体CO_(2)。为了使人工产氨绿色化、环保化,电催化氮还原反应(nitrogen reduction reaction,NRR)成为了最具发展前景的人工产氨技术手段之一,但目前氨产率与法拉第效率仍未有较大突破,亟需探索新型催化材料。为了控制催化剂成本,结合已有催化剂电催化性能的表现,过渡金属纳米材料催化剂在当今NRR研发工作中占据越来越高的地位。针对过渡金属纳米材料,从NRR的反应机理(解离式机理、缔合式机理与酶促式机理)出发,结合密度泛函理论(density functional theory,DFT)计算研究成果,综述了过渡金属氧化物、过渡金属氮化物、过渡金属磷化物、过渡金属碳化物、过渡金属硼化物、过渡金属硫化物,以及上述化合物的复合材料在NRR领域的研究进展,并对有利于提升氨产率与法拉第效率的研究策略做了总结,包括催化剂的晶面调控、尺寸与形貌调控、空穴调控、原子掺杂与应力调控等。过渡金属纳米材料面向NRR领域的研究正在持续发展,不断提升氨产率与法拉第效率,为未来NRR的工业化产氮提供了有力支撑。 展开更多
关键词 电催化 氮还原反应 过渡金属 氨产率 法拉第效率
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双金属氮化物Co3W3N/CNTs纳米复合材料的制备及其室温常压氮还原性能 被引量:2
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作者 姜澄 郭虎 +7 位作者 李玲慧 王涛 范晓莉 宋力 龚浩 夏伟 高斌 何建平 《无机化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2020年第3期467-474,共8页
采用水热法并经氨气保护热处理制备了双过渡金属氮化物Co3W3N/CNTs复合材料,得到了价格低廉且拥有良好氮电化学还原性能(NRR)的催化剂。通过调节已经预氧化的CNTs与过渡金属氮化物前驱体CoWO4的比例以及氨气热处理温度,实现了Co3W3N在C... 采用水热法并经氨气保护热处理制备了双过渡金属氮化物Co3W3N/CNTs复合材料,得到了价格低廉且拥有良好氮电化学还原性能(NRR)的催化剂。通过调节已经预氧化的CNTs与过渡金属氮化物前驱体CoWO4的比例以及氨气热处理温度,实现了Co3W3N在CNTs表面的均匀负载。扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)测试结果显示该电化学活性纳米微粒均匀地分散于CNTs表面,表明经预氧化的CNTs由于表面富集了较多的活性基团,有利于双过渡金属氮化物的分散生长。热处理后CNTs表面的Co3W3N微粒尺寸约为20 nm,相较于无载体的Co3W3N尺寸(100 nm)有明显减小。室温条件下,在N2饱和的0.01 mol·L^-1 H2SO4溶液中测试了该纳米复合材料在不同过电位下的NRR,该材料在-0.3 V(vs RHE)时的产氨率及法拉第效率分别可达12.73μg·h^-1·cm-2和13.59%,对比同样条件下,纯相Co3W3N的产氨率及法拉第效率仅为1.08μg·h^-1·cm^-2和1.76%。结果表明,通过水热反应和氨气保护热处理的Co3W3N/CNTs纳米复合材料具有良好的NRR性能。 展开更多
关键词 氮还原反应 钴钨化物 电催化 常温常压
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非金属掺杂石墨烯异核双原子催化剂氮还原特性研究
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作者 张季 俞爱民 孙成华 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第9期263-270,共8页
氨是化肥、涂料等领域中重要的化工原料,是产量第二高的商用化学品.目前,90%以上的氨均来自Haber-Bosch法,该工艺需要高温高压,能耗高,且依赖化石燃料的使用,排放大量CO_(2),在倡导节能环保的新时代,该工艺面临严重的能耗及环保问题.电... 氨是化肥、涂料等领域中重要的化工原料,是产量第二高的商用化学品.目前,90%以上的氨均来自Haber-Bosch法,该工艺需要高温高压,能耗高,且依赖化石燃料的使用,排放大量CO_(2),在倡导节能环保的新时代,该工艺面临严重的能耗及环保问题.电催化氮还原合成氨(e NRR)是一种在常温常压条件下,采用电能作为驱动,以水和大气中的氮作为原料的新型绿色环保的合成氨方法,有望替代传统合成氨工艺.在eNRR过程中,电催化剂的催化活性和选择性是提高电催化合成氨的关键.目前,单原子催化剂(SAC)因其高原子利用率、高选择性等优点,在氧还原反应(ORR)、二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)等方面得到广泛研究,但其在eNRR反应中表现不佳,因为单个金属原子位不能贡献足够多的电荷来活化惰性极强的N≡N键.据此,本文利用第一性原理计算,通过高通量筛选,系统研究了以非金属掺杂石墨烯为基质,以异核金属原子为反应位的双原子催化剂的氮还原特性及其微观催化机理.本文以B,S,P和N四种非金属元素与Fe,Co,Mo,W和Ru五种金属元素随机组成的40种催化剂M1M2-X做为催化剂模型,根据两步筛选,得到FeMo-S,RuMo-B,RuMo-P,RuMo-S和Ru W-S五种双原子催化剂,表现出优良的氮还原特性.与现有研究相比,五种双原子催化剂不但具有高催化活性(过电位为:FeMo-S(–0.18 V),RuMo-B(–0.25 V),RuMo-P(–0.27 V),RuMo-S(–0.29 V)和RuW-S(–0.24 V)),较高的热力学稳定性,而且可以有效抑制析氢(HER)反应.为了进一步与相应的单原子催化剂做比较,将单个金属原子键合于非金属元素掺杂的石墨烯基质上,形成17种M-X单原子催化剂.在同样的筛选机制下,只有Mo-P催化剂具有好的催化活性,但与HER的竞争劣势使其无法成为良好的催化剂.非金属原子调制的异核双原子催化剂对氮还原表现出良好的催化特性有其本质的原因.对双原子催化剂的电子特性进行研究,如Bader电荷、态密度、轨道哈密顿布居和电子差分密度等,结果表明,双原子催化剂的优良催化特性与下面几个方面有关:(1)金属双原子作为催化位点,可以提供更多的d电子,使其转移到氮气分子的反键轨道,从而活化N≡N键,两套d轨道也可以接纳更多的来自氮分子的孤对电子以增强吸附;(2)双原子的协同作用有效的调整了伴随金属原子的d带中心位置,中间吸附质的吸附自由能因此得到调节,从而改善了催化剂的催化性能;(3)不同种类的非金属元素的引入丰富了金属反应位的配体结构,使得催化剂对中间吸附质的吸附强度得到调节,从而降低了初始电位.综上,本文不仅分析了异核双原子催化剂性能,还从电子结构层面分析了NRR催化机理,为设计高性能催化剂提供一定借鉴.目前,电子结构的计算广泛应用于催化剂设计领域,它从电子结构层面深入理解催化机理,为催化剂设计,催化性能调控给出优化趋势.电催化是一个由多种因素共同影响的复杂化学过程,希望今后能够通过电子结构计算更加深入理解化学反应细节,能够对反应过程给出动力学分析,发现一般规律,设计出高性能NRR催化剂. 展开更多
关键词 电催化 双原子催化剂 石墨烯 氮还原反应 第一性原理
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量子化学计算实验设计及催化反应路径研究 被引量:1
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作者 刘桂华 武兰兰 +2 位作者 杜晓航 罗寓洪 曹书镒 《电子技术与软件工程》 2023年第3期87-90,共4页
本文介绍了一个面向新时代高年级本科生的量子化学计算实验,通过量子化学计算方法,结合电催化氮还原反应的知识,从电子、原子尺度上研究铁掺杂二氧化钛催化氮还原反应过程的反应机理,揭示其最优的催化反应路径。通过此实验,使得学生能... 本文介绍了一个面向新时代高年级本科生的量子化学计算实验,通过量子化学计算方法,结合电催化氮还原反应的知识,从电子、原子尺度上研究铁掺杂二氧化钛催化氮还原反应过程的反应机理,揭示其最优的催化反应路径。通过此实验,使得学生能够更加深刻的理解量子化学与物理化学的相关知识,帮助学生了解有关量子化学计算的概念与基本操作技能,尤其是对如何利用量子化学方法,确定催化过程反应路径的问题有更深层次的理解,提高了学生将计算化学基本理论知识应用于研究实际催化反应过程的能力。 展开更多
关键词 量子化学计算 计算化学实验 氮还原反应 反应路径
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基于氢源和氮源的电化学合成氨研究进展
16
作者 白斌斌 代忠旭 +1 位作者 熊梓林 陈少娜 《化学研究》 CAS 2021年第2期165-175,共11页
电化学合成氨是未来绿色合成氨工业的可选途径,可在室温常压下进行,近年来成为热门研究领域。从氢源和氮源角度看电化学合成氨,综述了电化学合成氨的研究发展概况。简要地介绍了电化学氮还原合成氨的机理,回顾了不同氢源、不同氮源、不... 电化学合成氨是未来绿色合成氨工业的可选途径,可在室温常压下进行,近年来成为热门研究领域。从氢源和氮源角度看电化学合成氨,综述了电化学合成氨的研究发展概况。简要地介绍了电化学氮还原合成氨的机理,回顾了不同氢源、不同氮源、不同催化剂以及不同电解质体系下的电化学合成氨的性能,展望了该领域未来的研究发展。 展开更多
关键词 电化学 氮还原反应 合成氨 催化
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二维金属有机框架电子性质的电场调控:第一性原理研究
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作者 杨燕 王献朗 +3 位作者 陈昊天 卢浩 佘世雄 黄智昊 《人工晶体学报》 CAS 北大核心 2024年第10期1752-1758,共7页
本文基于密度泛函理论(DFT)方法,提出了一种基于钴和铜原子的二维金属有机框架(MOF)。通过声子谱的计算发现没有出现虚频率,验证了MOF晶体结构的稳定性。基于电子能带结构的计算,通过施加外电场,可以发现Cu基MOF始终保持金属的特性。然... 本文基于密度泛函理论(DFT)方法,提出了一种基于钴和铜原子的二维金属有机框架(MOF)。通过声子谱的计算发现没有出现虚频率,验证了MOF晶体结构的稳定性。基于电子能带结构的计算,通过施加外电场,可以发现Cu基MOF始终保持金属的特性。然而,Co基MOF在外电场作用下会发生从金属到半导体的转变。当电场强度达到0.5 eV/时,Co基MOF的带隙约为0.1 eV,而Cu基MOF则不会出现这种情况。此外,还研究了Co基MOF对N_(2)的吸附和氮还原反应(NRR),结果表明Co基MOF的NRR表现良好,电场可以增强NRR的效果。在0.5 eV/的外电场下,自由能比没加外电场的时候低0.51 eV。本文的理论计算有助于实验上MOF的NRR过程设计。 展开更多
关键词 二维MOF 声子能谱 能带结构 氮还原反应 密度泛函理论 第一性原理
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系统中水含量对锂介导合成氨的性能影响
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作者 陈禹志 刘永忠 +1 位作者 康丽霞 黄贤坤 《高校化学工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期265-273,共9页
针对锂介导合成氨(LM-NRR)过程中存在的水污染问题,通过对比实验及扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)等表征手段,探讨了含水量对LM-NRR体系的性能影响及其在反应界面中的作用机理。结果表明,无水条件下的L... 针对锂介导合成氨(LM-NRR)过程中存在的水污染问题,通过对比实验及扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)等表征手段,探讨了含水量对LM-NRR体系的性能影响及其在反应界面中的作用机理。结果表明,无水条件下的LM-NRR体系具有较好的氨合成性能,在反应时间为120 min、N2流速为4 m L·min^(-1)、电流密度为3 m A·cm^(-2)条件下的氨合成速率可达0.0124μg·s^(-1)·cm^(-2),法拉第效率为7.05%。含水量对LM-NRR体系的影响显著,会极大地降低体系的氨合成速率及法拉第效率。这主要是由于反应界面上的水会加剧竞争性析氢反应(HER)、促进电解质中Li BF_(4)的水解以及钝化表面活性锂位点,进而降低了体系的氨反应活性。 展开更多
关键词 锂介导 氮还原反应 合成氨 界面反应
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碳基材料电催化合成氨的研究进展
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作者 陈余涛 陈治江 +1 位作者 宋煜 田果 《山东化工》 CAS 2024年第3期115-117,共3页
氨作为重要的肥料和能源载体,传统合成方法(如哈伯-博斯工艺)的高能耗和二氧化碳排放问题促使人们寻求更环保、低能耗的替代方法。电化学氮还原反应(ENRR)被认为是一种有前景的方法。然而,ENRR仍面临着一些挑战,包括催化剂的产率和法拉... 氨作为重要的肥料和能源载体,传统合成方法(如哈伯-博斯工艺)的高能耗和二氧化碳排放问题促使人们寻求更环保、低能耗的替代方法。电化学氮还原反应(ENRR)被认为是一种有前景的方法。然而,ENRR仍面临着一些挑战,包括催化剂的产率和法拉第效率(FE)受到析氢反应(HER)和氮还原反应(NRR)竞争的影响。近期的研究集中在改进电催化剂以提高其活性和选择性。本文结合电催化机理,综述了碳基材料在NRR反应的研究现状,为寻找更高效、更环保的氨合成方法提供了重要的指导和启示,有望为未来的ENRR研究和环境友好型氨生产的发展奠定基础。 展开更多
关键词 氮还原反应 碳基材料 电催化
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Single-atom catalysts based on polarization switching of ferroelectric In_(2)Se_(3) for N_(2) reduction
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作者 Nan Mu Tingting Bo +3 位作者 Yugao Hu Ruixin Xu Yanyu Liu Wei Zhou 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第8期244-257,共14页
The polarization switching plays a crucial role in controlling the final products in the catalytic pro-cess.The effect of polarization orientation on nitrogen reduction was investigated by anchoring transition metal a... The polarization switching plays a crucial role in controlling the final products in the catalytic pro-cess.The effect of polarization orientation on nitrogen reduction was investigated by anchoring transition metal atoms to form active centers on ferroelectric material In_(2)Se_(3).During the polariza-tion switching process,the difference in surface electrostatic potential leads to a redistribution of electronic states.This affects the interaction strength between the adsorbed small molecules and the catalyst substrate,thereby altering the reaction barrier.In addition,the surface states must be considered to prevent the adsorption of other small molecules(such as *O,*OH,and *H).Further-more,the V@↓-In_(2)Se_(3) possesses excellent catalytic properties,high electrochemical and thermody-namic stability,which facilitates the catalytic process.Machine learning also helps us further ex-plore the underlying mechanisms.The systematic investigation provides novel insights into the design and application of two-dimensional switchable ferroelectric catalysts for various chemical processes. 展开更多
关键词 In_(2)Se_(3) monolayer Density functional theory Ferroelectric switching Single atom catalysts Nitrogen reduction reaction Machine learning
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