邱介山JACS：等离子体级联N2氧化-电还原体系中促进合成氨机制的微观层面研究

Nanoyu

2022-05-20

集成/级联等离子体激活的N₂氧化和电催化NO_x⁻(其中x = 2,3)还原反应（pNOR-eNO_x⁻RR）为可再生合成氨（NH₃）提供了巨大的前景。然而，人们关于等离子体对N₂和O₂分子的相应活化作用和过程，以及eNO_x^-RR对NH₃的作用机制尚不清楚，有待进一步研究，这在很大程度上限制了该工艺集成技术的大规模应用。

近日，大连理工大学邱介山教授，于畅教授展示了一种创新的等离子体级联pNOR-eNO_x⁻RR集成系统，用于使用N₂、O₂和H₂O分子进行电合成氨，该系统结合了等离子体化学和技术与电化学反应的优势。

文章要点

1）采用Cu纳米颗粒作为代表性/模型电催化剂，确定了pNOR系统中产生的NOx浓度是火花放电长度以及N₂和O₂进气体积比的函数。在放电距离为2.0 cm、进料比为1：1的优化放电参数下，最终获得了∼40 nmol s⁻¹ cm⁻²的高NH₃产率和在−0.9 V下近90%的FE，超过了目前最先进的系统。

2）利用原位光谱表征了目标产物NH₃的形成过程，揭示了Cu纳米颗粒上的Cu⁺/Cu²⁺物种原位形成的CuO物种是eNO_x⁻RR的本征活性中心。

该过程集成系统为N₂的高效活化和NH₃的电合成提供了一个平台，对其他惰性小分子如CO₂、H₂O、CO等的活化和转化也具有启发意义。

参考文献

Yongwen Ren, Microscopic-Level Insights into the Mechanism of Enhanced NH₃ Synthesis in Plasma-Enabled Cascade N₂ Oxidation−Electroreduction System, J. Am. Chem. Soc., 2022

DOI: 10.1021/jacs.2c00089

https://doi.org/10.1021/jacs.2c00089