电化学反应提高合成氨产率

据报道,研究人员可通过氮气和电力以近100%的效率合成氨。氨是全球粮食生产的关键肥料,目前氨生产工艺消耗能源约占全球总能源的1%,新工艺可能比目前的氨生产工艺更环保。全球大部分氨通过哈伯-博施工艺合成,该工艺采用从化石燃料原料中生产的氢气与氮气结合制成氨。工业生产力研究所表示,2010年合成氨工艺排放了约4.51亿吨二氧化碳。

CaO改性Al_2O_3催化剂对DBD等离子体催化合成氨的影响

采用浸渍法制备不同质量分数的CaO改性Al2O3催化剂(CaO-Al2O3),进一步浸渍Ru制备钌基催化剂(Ru/CaOAl_2O_3),运用BET、TEM、NH3-TPD等手段对改性催化剂进行表征,并考察改性催化剂在DBD等离子体反应器中合成氨的活性。结果表明,CaO的添加使Al_2O_3催化剂比表面积提高,但达到一定量时开始下降。进一步负载Ru后比表面积有所增加,同时,CaO能提高Ru在催化剂上分散度。此外,CaO和Ru的添加还可以改变催化剂表面酸强度和酸量。CaO的添加可有效提高催化剂在DBD等离子反应器中合成氨的活性,但达到一定量后增加不明显。进一步负载Ru后催化剂活性又会提高,Ru/5%CaO-Al_2O_3活性最大,其NH3-TPD在200℃附近氨脱附强度最大又使其氨产率和能量产率在240℃附近达到最大。

DBD等离子体催化合成氨与系统谐振的相关性

为了研究介质阻挡放电(DBD)等离子体催化合成氨与谐振的相关性,在DBD等离子体反应器内,分别考察了操作参数(输入电压、气体总流量及V(N2)∶V(H2))和结构参数(有无催化剂填充、放电区宽度及催化剂粒径)对氨产率(单位时间氨产量)和DBD系统谐振特性的影响,进一步阐述DBD等离子体催化合成氨与谐振的相关性.结果表明:DBD谐振频率处氨产率最高;输入电压和放电区宽度增加,DBD谐振频率减小,而DBD谐振频率的减小有利于氨产率的提高;气体总流量、V(N2)∶V(H2)、有无催化剂填充和催化剂粒径对DBD谐振特性影响不大,但提高气体总流量、增加V(N2)∶V(H2)、填充催化剂和减小催化剂粒径有利于氨产率的提高,研究结果为DBD等离子体催化合成氨工艺优化提供依据.

铜掺杂氮化碳电催化硝酸盐产氨性能研究

NH_(3)是硝酸盐还原产物之一,不仅在工业中需要大量应用,在清洁生产过程中也是一种非常有前途的能源载体,现有的哈伯-博施(Haber-Bosch)工艺生产NH_(3)会对大气环境造成危害,而电催化法由于便捷、安全且能够在常温和常压下催化合成NH_(3)成为最近研究的热点.本实验以3-氨基-1,2,4三唑为前驱体,利用热解法先合成C_(3)N_(5),再通过调控铜元素的比例在煅烧条件下合成Cu-C_(3)N_(5),合成一系列材料形貌、晶体构相、化学价态存在差异的C_3N_5基催化剂,并评价这些催化剂的电化学性能以及电催化硝酸盐还原产氨性能,通过在0.1 mol/L KOH+0.1 mol/L KNO_(3)混合电解液中进行1h电解实验后发现,氨气产量和法拉第效率可以达到0.541 mmol·h^(-1)·mg_(cat)^(-1)87.79%,远远高于C_3N_5,且该催化剂在循环试验和长时间实验中具有良好的活性和稳定性,表明在电催化硝酸盐领域中具有一定的研究价值.

交流磁场对M-BTC材料电化学氮还原(NRR)性能的影响

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.

过渡金属纳米材料在电催化氮还原中的应用

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。

电催化固氮催化剂研究进展

氨是重要的无碳能源载体,也是重要的化工原料,到目前为止,主要采用传统的,能耗高,温室气体排放大的Haber-Bosch法合成。近年来,电催化固氮反应作为一种实现室温常压下绿色、可持续的氨合成工艺受到研究者的关注。本文简述了电催化固氮原理,综述了近几年来电催化固氮催化剂的研究进展,并对未来该领域的研究进展进行展望。

电催化氮还原用非贵金属基催化剂的研究现状

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。