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发布时间:2018-03-12 

郑耿锋教授课题组在Nano Research上发表常温常压下水相电催化氮还原的综述论文

 

       近日,先进材料实验室郑耿锋教授课题组在Nano Research(影响因子7.354)上发表了关于常温常压水相电催化氮还原方面的综述论文——“Aqueous electrocatalytic N2 reduction under ambient conditions (Nano Res. DOI: 10.1007/s12274-018-1987-y)”.

       随着世界人口的不断膨胀,人们对粮食和清洁能源的需求问题也在日益凸显。N2作为空气的主要成分之一,其含量约为78%。将空气中无处不在的氮气(N2)还原转化为有经济实用价值的氨(NH3),对于肥料和其它工业来说意义重大。目前氮还原主要有以下三种路径:一是自然界普遍存在的生物固氮过程——细菌固氮,然而其产率非常低,难以满足人口急速增长的需求。经典的Haber-Bosch方法,利用氮气和氢气在铁基催化剂的作用下,进行工业制备氨的过程,然而该反应需高温高压,耗能很大,而且需要裂解化石能源如天然气以获得氢气,从而导致大量的二氧化碳排放。因此,在温和条件下水相体系中电催化氮还原,引起了越来越多的关注。其反应物直接取自于自然界中充足的N2和水(作为质子来源)合成氨,既经济又环保,具有广阔的发展前景。

 

                                                              

 

       复旦大学先进材料实验室和化学系郑耿锋教授课题组近期发表了一篇关于常温常压下,水相体系中电催化氮还原新进展的综述,对包括金属基催化剂、金属氧化物基催化剂、复合型催化剂在内等多种氮还原电催化剂的设计,进行了详细地介绍。目前温和条件下水相电催化,面临着三个主要问题。首先,NΞN键能很大(约为941 kJ/mol),难以断裂;其次,水溶液中水分子会与其竞争电子,发生还原产氢反应(HER),降低其电化学的法拉第效率;第三,常温常压条件下,氮气在水中的溶解度很低,其电催化反应会显著受到传质过程的影响。因此,为了提高氮还原的转化率和选择性,需要合理地设计催化剂体系,以提高N2的传质和在催化剂表面的化学吸附,加快NΞN的活化,以及抑制分解水产氢副反应的发生。

       此外,该综述在国内外近期在常温水溶液中电催化氮还原方面的研究进展的基础上,总结归纳了几种常见的提高氮还原电催化性能的策略—包括围绕晶面、缺陷、空穴等催化剂结构方面的设计,以及溶剂体系的选择对电催化氮还原性能的影响。文中还介绍了包括Li-N2电池等其它一些电催化氮还原体系的设计。最后,作者对该领域研究目前仍存在的挑战,与将来可能的发展方向进行了讨论和展望。

供稿:曹娜

 

 

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