Chem. Rev.：电催化N2还原制氨的研究进展及面临的挑战

兔兔

2020-05-28

2016年，全球氨产量达到1.75亿吨，其中90%由高纯度N₂和H₂气体在高温高压下通过Haber-Bosch工艺生产。依靠天然气生产氢气导致大量的能源消耗和二氧化碳排放。电催化N₂还原制氨是一种很有吸引力的替代方法，它可以在较温和的条件下实现氨的合成。有鉴于此，密歇根州立大学Milton R. Smith III与Thomas W. Hamann等人综述了电化学固氮的理论和实验研究，重点介绍了电化学固氮的低选择性。

本文要点：

1）研究人员首先简要介绍了电化学N₂还原的热力学和机理。讨论了电化学合成氨的选择性、挑战和提高选择性的策略。介绍了测定氨生成量的各种分析方法，讨论了痕量氨的测量难点和控制实验的重要性，为电化学合成氨的准确、可靠测量提供了一种通用方法。

2）此外，还着重于讨论了使用理论计算来筛选N₂还原电催化剂，讨论了利用密度泛函理论(DFT)计算来解释从一种催化剂到另一种催化剂的催化活性的变化趋势，以及设计提高活性和提高选择性的新催化剂的方法。

3）同时，概述了使用介体（例如锂）将N₂还原为氨的实验研究。使用锂作为介体可达到接近90％的法拉第效率，并且氨的生成速率不再受N₂直接电子化和质子化反应的缓慢动力学限制。

4）研究人员还介绍了电化学还原N₂在低温(T<100 ℃)、中温(100 °C<T<500 °C)和高温（500 °C<T）下的实验进展，包括N₂在水溶液(酸性、中性或碱性)、三相边界和非水溶液中的电化学还原。通过提高反应温度可以实现更快的反应动力学；然而，电化学产生的氨可能在高温下分解，需要从反应釜中快速去除氨产物。

Geletu Qing, et al. Recent Advances and Challenges of Electrocatalytic N2 Reduction to Ammonia. Chem. Rev. 2020.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00659.

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00659