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电化学氮还原氨反应催化剂的最新研究进展
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作者 洪岩 王琦 +5 位作者 阚子旺 张禹烁 郭晶 李思琦 刘松 李斌 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第9期50-78,共29页
氨是重要的化工产品之一,广泛应用于化肥和燃料生产等领域.目前我国仍采用传统的Haber-Bosch工艺合成氨,该工艺消耗大量的化石燃料并造成环境污染.因此,开发一种高效、环保的氨合成方法代替Haber-Bosch工艺,减少能源消耗和保护环境具有... 氨是重要的化工产品之一,广泛应用于化肥和燃料生产等领域.目前我国仍采用传统的Haber-Bosch工艺合成氨,该工艺消耗大量的化石燃料并造成环境污染.因此,开发一种高效、环保的氨合成方法代替Haber-Bosch工艺,减少能源消耗和保护环境具有非常重要的意义.电化学氮还原(eNRR)工艺由于使用可再生能源,成为有前景的替代方法之一.但目前eNRR工艺面临着许多挑战:较大的过电位以及析氢反应都会导致氨合成反应性能不理想.因此,理性设计电催化剂以提高氨合成效率成为当务之急.本文总结了近年e NRR领域的最新进展,以期为开发高性能催化剂提供借鉴.本文从eNRR的反应机理入手,介绍了eNRR的检测方法和反应条件,总结了近年来电催化剂的设计策略、原位表征方法和理论计算的研究成果,并对领域未来发展进行展望.首先,从理论热力学和NH3检测等方面讨论了eNRR的关键难点.然后,从形态、结构、空位、掺杂、协同效应、异质结构和单原子等多方面总结了eNRR催化剂的设计策略.此外,介绍了原位拉曼、原位红外、原位电化学质谱和原位X射线吸收光谱等技术在电催化氮还原机理研究中的重要作用.讨论了密度泛函理论(DFT)对于研究eNRR过程中的反应能垒和催化剂电子轨道分布的重要作用.最后,介绍了当前eNRR所面临的挑战,并就如何提高NH3产率和选择性提出了建议,如采用流动电解槽中固-液-气三相界面设计可确保N_(2)与催化剂之间有更大的接触面积和更长的接触时间,从而提高N2转化率;改变电解液成分或催化反应条件等方式以延长催化剂的使用寿命;通过原位表征手段对催化反应过程进行实时监测,以进一步揭示催化机理等.综上,eNRR领域取得的进展说明了在水溶液中通过可再生的电力将N_(2)还原成NH_3具有可行性.尽管现阶段存在eNRR效率不高、工艺不成熟等问题,但随着理论研究与实验结果的更好结合,原位表征技术的进一步发展和应用,未来在高效、稳定的氨合成电催化剂设计方面将会取得更大的进展,进而实现绿色合成氨的工业化应用,为减少能源消耗和碳排放做出贡献. 展开更多
关键词 电催化 氮还原 结构设计 原始表征 反应体系
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Accelerating Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia via Weakening of Intermediate Adsorption on Cu-Based
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作者 Yizhu Chen Ang Ma +8 位作者 Lei Chen Yan Li Yan Hong yushuo zhang Yunyi Liu Lixin Wei Yudong Li Siqi Li Song Liu 《Transactions of Tianjin University》 EI CAS 2024年第6期488-497,共10页
Cu-based materials are commonly used in electrocatalytic nitrate reduction reactions(NO 3 RR).NO 3 RR is a“two birds,one stone”approach,simultaneously removing NO 3−pollutants and producing valuable ammonia(NH 3).Ho... Cu-based materials are commonly used in electrocatalytic nitrate reduction reactions(NO 3 RR).NO 3 RR is a“two birds,one stone”approach,simultaneously removing NO 3−pollutants and producing valuable ammonia(NH 3).However,the strong coordination between the NO 3−intermediate and the catalytic active sites seriously hinders the conversion effi ciency.Here,we determined that,through encapsulation strategies,the carbon layer could weaken the NO 3−intermediate binding to active sites,resulting in higher NH 3 yields.We experimentally fabricated electrocatalysts,i.e.,Cu nanoparticles encapsulating(or loaded on)N-doped carbon nanofi bers(NCNFs)called Cu@NCNFs(Cu-NCNFs),using electrostatic spinning.As a result,Cu@NCNFs can achieve NH 3 yields of 17.08 mg/(h·mg cat)at a voltage of−0.84 V and a Faraday effi ciency of 98.15%.Meanwhile,the electrochemical properties of the Cu nanoparticles on the surface of carbon fi bers(Cu-NCNFs)are lower than those of the Cu@NCNFs.The in situ Raman spectra of Cu@NCNFs and Cu-NCNFs under various reduction potentials during the NO 3 RR process show that catalyst encapsulation within carbon layers can eff ectively reduce the adsorption of N species by the catalyst,thus improving the catalytic performance in the nitrate-to-ammonia catalytic conversion process. 展开更多
关键词 Electrocatalytic nitrate reduction reactions Ammonia synthesis Copper-based electrocatalysts·Electrostatically spun carbon fi ber Regulated adsorption
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