Chem综述：电催化合成氨反应

纳米技术

2021-02-21

氨作为世界第二大合成商业化学品，广泛在农业化肥中使用，而且是合成含氮有机分子的通用中间体，同样的，氨能够用于燃料领域。电化学N₂还原（NRR）为合成NH₃提供了一种具有较高前景的方法，目前一些相关电催化的研究通过改善NRR反应效率，有望实现比竞争性的Haber-Bosch过程在环境上、经济上更具挑战。有鉴于此，北京化工大学孙振宇、韩国科学技术院（KAIST） Yousung Jung等报道了近期关于NRR反应的相关理论研究、实验研究进展，为电催化NRR反应的改善提供经验和指导。本文综述讨论了in situ、operando表征方法在揭示催化剂的动态变化、其他相关反应参数上的重要作用，对可能反应的过程、NRR催化反应中的主要挑战进行总结。

本文要点：

（1）

讨论了目前代表性高性能温和条件中溶液相电催化NRR催化剂进行概括。对NRR催化反应过程中的相关基础性知识进行概括和总结，讨论了NRR反应中的热力学、动力学，讨论了N₂吸附和线性标度关系。

（2）

讨论了N₂催化电解方法学：确定产物是否从N₂中获取、对N₂气体/电解液/电催化剂进行纯化、在质子交换膜使用之前清洗干净、生成的NH₃定量、副产物定量。

（3）

讨论了电解液种类：溶液（酸性、中性、碱性），有机相、离子液体。

（4）

NRR催化反应机理：过渡金属氮化物上的Mars-van Krevelen机理、in situ/operando表征（增强红外、增强拉曼、微分电化学质谱DEMS、operando XAS、in situ XPS等）。

（5）

NRR异相催化剂种类：金属、氧化剂、氮化钨、碳化物、卤化物、磷化物、卤氧化铋、混合物、单原子、簇合物等；非金属的碳、硼、氮化碳、黑磷、红磷等。

（6）

潜在可能的NRR催化剂。介绍了一些硼、硫化物等催化剂的相关研究。

改善NRR催化活性的策略：界面修饰、界面结构调控、构建异质结等。随后进行总结和展望。

参考文献

Huidong Shen, Changhyeok Choi, Justus Masa, Xin Li, Jieshan Qiu, Yousung Jung*, Zhenyu Sun*, Electrochemical ammonia synthesis: mechanistic understanding and catalyst design, Chem 2021

DOI: 10.1016/j.chempr.2021.01.009

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929421000383