Angew：碳中性能源技术中氮气电化学的成就、挑战和前景

Nanoyu

2022-12-12

无节制的人为活动严重扰乱了全球自然氮循环，造成了许多能源和环境问题。电催化氮素转化是实现可持续氮素经济的一种可行和有前途的策略。将多种氮素反应协同结合，可以实现高效的可再生能源储存和转化，恢复全球氮素平衡，缓解环境危机。

近日，浙江大学侯阳教授，纽约州立大学布法罗分校武刚教授提供了一个独特的角度来讨论有趣的氮电化学，通过连接三个基本的含氮化合物(即N₂、NH₃和NO₃^-)，并结合四个基本的电化学反应，即氮还原反应(N₂RR)、氮氧化反应(N₂OR)、硝酸盐还原反应(NO₃RR)和氨氧化反应(NH₃OR)。此外，还总结了这些相互关联的氮反应的合理催化剂设计和潜在反应机理方面所获得的知识。我们进一步强调相关的清洁能源技术和可持续的氮基经济。

文章要点

1）NH₃在化肥生产、化工、医药制造、合成纤维、能源载体和其他领域都是至关重要的。与众所周知的H-B法相比，在环境条件下由氮气和水直接电催化合成氨，即N₂RR，包括多步氮质子化和多个电子转移，是一种可持续和环境友好的无碳固氮方法。

2）作者总结了氮氧化制硝酸盐。发展经济、环保的硝酸电合成技术是取代传统的高耗能催化氧化氨(即Ostwald法)的迫切需要。在这方面，科学家从理论和实验上提出并证明了氮气直接电氧化合成硝酸盐，即N₂OR。在这些开创性探索的鼓舞下，N₂OR合成HNO₃的可能反应机理、创新的合成和严格的测试程序都取得了令人鼓舞的进展。

3）无处不在的硝酸盐（NO₃^-）离子是水体中主要的含氮污染物，导致水体富营养化和严重的健康问题。由于工业污水排放和农业和畜牧业的不受限制的人为活动，硝酸盐的单方面积累显著增加甚至超过了自然反硝化能力。近年来，硝酸盐污染物的去除及其转化为环境友好的物种(如N₂)或增值产品(如NH₃)已引起人们的极大关注。电催化NO₃RR作为一种名副其实的绿色策略，可以在不使用氢气或其他还原剂的情况下实现高效的硝酸盐转化，为恢复目前全球氮循环的失衡提供了机会。

4）电催化氮转化是一种很有前途的方法，可以满足人们日常生活中对含氮化学品日益增长的需求，并为严重失衡的自然氮循环提供补救措施。在整个氮素循环系统中，三种基本的含氮化合物和四个重要的电化学反应相互转化，包括N₂RR、N₂OR、NO₃RR和NH₃OR。作者强调了用于系统评估氮循环的相关清洁能源技术与可持续的氮基经济之间的潜在相关性，总结了基于这四个关键反应的无碳和自我可持续的氮氢经济的完整蓝图。其中，N₂OR和NO₃RR是氮气和硝酸盐之间的相反过程，分别实现了商业硝酸制造和废水净化。这对于未来基于地球上丰富的氮的无碳能源经济也是至关重要的。另一方面，N₂RR和NH₃OR反应为NH₃合成和随后作为燃料电池燃料用于能源/氢气生产提供了良好的前景，进一步丰富了氮基经济。总体而言，这个理想的无碳氮气系统可以储存可再生能源，并通过自我维持的循环生产有价值的化学品和能源载体(例如NH₃和NO₃^-盐)，能量投入最少，环境影响减轻。

参考文献

Xiaoxuan Yang, et al, Achievements, Challenges, and Perspectives on Nitrogen Electrochemistry for Carbon-Neutral Energy Technologies, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202215938

DOI: 10.1002/anie.202215938

https://doi.org/10.1002/anie.202215938