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。

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.