氮气电化学合成氨催化剂研究进展

氮气是储量丰富且廉价易得的氮源，但无法被人类或动植物直接吸收利用，只有通过化学或生物方法将空气中游离的氮气转化为含氮化合物才能被人类应用于食品或其他工业生产中，因此氮气的固定及转化已经逐渐成为新的研究热点。而氨是一种非常重要的无机化工产品，其在农业、医药、储能等行业中有着重要的作用，且需求量随着社会日益发展和人口的不断增加而不断增加。首先简单介绍了现有的氮气固定合成氨方法及其作用机理，随后重点综述了氮气电化学合成氨催化剂的研究现状，最后对氮气电化学合成氨催化剂的未来发展趋势进行了展望。     

电化学合成氨研究进展

氨是生产化肥的原料,在人类的生产和生活中发挥着重要作用。工业合成氨在高温高压的苛刻条件下进行,造成了严重的能耗和污染。考虑到人类社会的可持续发展,开发生态友好型和能源依赖性较低的方法作为合成氨替代工艺迫在眉睫。电化学合成氨打破传统合成氨的热力学限制,能够实现由水和氮气直接常压合成氨,具有广阔的发展前景。根据电化学合成氨的工作温度范围分类,从高中低温电化学合成氨三方面综述了电化学合成氨领域的研究进展及现有技术存在的挑战,以期对电化学合成氨催化剂设计提供有益的参考。     

利用不同氢源及氮源电化学合成氨研究进展与挑战

氨是基本有机化学工业及化肥生产的主要原料。工业上利用哈伯法合成氨,该工艺不仅耗能大且转化率仅有10%~15%。相比传统合成氨工艺,电化学合成氨有着清洁环保、反应条件温和等优点。本文综述了氮气、硝酸盐及一氧化氮作为氮源时电化学合成氨的特点与优势,并依据不同氮源的特点,剖析了电化学合成氨的反应机制。文中针对不同的氮源,分析总结了多种氢源方案与氢化机理,系统地概述了反应催化剂的研究进展。分别讨论了氮气在水中溶解度较差、硝酸盐在反应过程中元素价态跨度大而生成诸多中间产物、氮氧化物体系不稳定、电解体系中存在析氢竞争反应等问题,提出了通过改变氢源的组成或结构抑制析氢反应、开发新型高活性位点及氧空位的催化剂体系强化反应选择性、研制非水电解质体系提高反应速率及合成效率等解决思路。     

由水和氮气直接电化学合成氨电催化剂研究进展

综述了贵金属、非贵金属和无金属负载催化剂3种由水和氮气直接电化学合成氨催化剂的研究进展,催化剂在电催化氮还原合成氨的过程中占据举足轻重的地位。贵金属催化剂可以高效地催化合成氨,但是其含量少、成本高;非贵金属催化剂存在广泛但是活性不高,有待继续提升;无金属负载催化剂表现出优越的稳定性,但是由于炭基材料本身的化学惰性导致此催化剂的活性不高。在此基础上,对今后电化学合成氨催化剂的发展方向进行了展望。     

光（电）催化氮气还原合成氨研究进展

光（电）催化氮气还原技术利用天然太阳能作为能源，具有成本低、反应条件温和等众多优势，可解决传统工业合成氨Haber-Bosch工艺的高能耗以及高CO₂排放等问题，被认为是目前最具前景的新兴合成氨技术之一。由于氮气为非极性分子，在水中溶解度极低，且本身呈现化学惰性，难以被活化，使得整体的氮气还原转化合成氨效率较低。同时，光生载流子的利用率也显著影响整体的催化效率。为此，光（电）催化氮气还原技术的关键在于催化剂的设计和催化反应体系的优化。本文在介绍光（电）催化氮气还原合成氨反应过程以及机理的基础上，主要从促进氮气溶解扩散、氮气吸附和活化以及强化载流子分离和传输等具体反应过程出发，重点综述近期国内外在光（电）催化氮气还原合成氨领域基于上述反应过程强化的最新研究现状。最后，指出了目前光（电）催化氮气还原合成氨研究领域面临的挑战，并对此领域的未来发展趋势进行了分析与展望。     

电化学合成氨研究进展

氨是世界上产量最大的化工产品之一,在全球经济中占有重要地位。传统的Haber-Bosch合成氨工艺需要在高温高压下进行,并且氢的平衡转化率低、能耗高、污染严重。电化学方法因可实现氨的常温常压合成而成为备受关注的研究领域。电化学合成氨的关键在于选择合适的电解质、制备电极及电催化剂,并将其有机组合在一起构建成高效稳定的电解池体系。综述了液体电解质、质子导体陶瓷膜电解质、熔盐电解质、陶瓷膜-熔盐复合电解质和有机质子交换膜电解质5类电解质体系的电化学合成氨的研究进展,介绍了相应的电化学合成氨原理,分析了技术发展现状和存在的问题,展望了未来研究的发展方向。     

合成氨电催化剂研究进展

氨是一种重要的无机化工原料,氮气是自然界最为丰富的自然资源之一,用氮气通过化学反应合成氨,近百年来一直是化工行业的重要生产技术之一。与传统合成氨技术相比,电催化合成氨技术能够有效减少能耗、减少CO_2排放量,因而成为最有前景的化工合成技术之一。以氮气为原料,利用电催化技术合成氨既达到固氮又能实现生产国计民生必需化工原料目标,但受制于合成反应的动力不足之瓶颈。因此,寻找原料丰富、行之有效、价格低廉、制备技术可行的合成氨电催化剂,成为该研究热点。本文在介绍合成氨电催化技术基本原理的基础上,重点综述了近几年国内外在电催化合成氨催化剂领域的最新研究现状,并对其未来发展趋势进行了分析与展望。     

电化学合成氨研究进展

氨是世界上产量最大的化工产品之一，在全球经济中占有重要地位。传统的Haber-Bosch合成氨工艺需要在高温高压下进行，并且氢的平衡转化率低、能耗高、污染严重。电化学方法因可实现氨的常温常压合成而成为备受关注的研究领域。电化学合成氨的关键在于选择合适的电解质、制备电极及电催化剂，并将其有机组合在一起构建成高效稳定的电解池体系。综述了液体电解质、质子导体陶瓷膜电解质、熔盐电解质、陶瓷膜-熔盐复合电解质和有机质子交换膜电解质5类电解质体系的电化学合成氨的研究进展，介绍了相应的电化学合成氨原理，分析了技术发展现状和存在的问题，展望了未来研究的发展方向。     

M-MOF-74（M=Ni,Co, Zn）的制备及其电化学催化合成氨性能

将自然界丰富的氮转化为氨对人类社会发展至关重要。以氮和水为原料的电化学合成氨是极具应用前景的绿色合成过程。采用水热法合成了Ni-, Co-和Zn-MOF-74催化剂，采用XRD、SEM以及XPS等表征了催化剂结构，并在0.1 mol·L^-1 Na₂SO₄电解液中研究了它们的电催化合成氨性能。结果表明，在常温常压下，Ni-MOF-74的电催化合成氨性能优于Co-和Zn-MOF-74催化剂，在-0.7 V (vs Ag/AgCl)下其氨合成速率和法拉第效率分别高达6.68×10^-11 mol·s^-1·cm^-2和23.69%，这归因于Ni-MOF-74不仅颗粒尺寸小且分布均匀，而且具有最多的金属-氧键和最大的电化学比表面。特别是Ni-MOF-74还能有效抑制析氢副反应，从而提高了法拉第效率。     

金银合金表面结构的调控及其电催化还原氮气合成氨性能研究

开发从氮转化为氨的高效、经济的方法对人类的生产和生活具有重要意义。电催化还原过程被认为是合成氨的潜在技术之一。制备了不同比例的合金壳包裹金纳米棒的空心核壳结构(CGNRs),考察了不同AuAg合金比例对CGNRs纳米结构电催化固氮性能的影响,并探究了其电催化合成氨的机理。CGNRs外壳由AuAg合金构成。当合金外壳中Ag/Au比例为0.06时,CGNR14表现出最优异的电催化还原氮气合成氨性能,产率最高可达22.7μg·mg^-1cat·h^-1,法拉第效率为11.2%。模拟计算表明合金效应改变了外壳表面的电子态和晶格常数,加速了氮气还原动力学,从而提高了合成氨性能。     

ZrO2纳米晶高效地催化电化学氮气还原成氨

通过电化学氮气还原反应合成氨，反应条件温和，反应过程中没有温室气体的排放，更满足“碳中和”和“碳达峰”的要求。但是，由于缺乏高效的电催化剂，产氨率和法拉第效率不高，限制该反应的工业应用。因此开发高效的催化剂是电化学氮气还原反应中非常关键但具有挑战性的课题。用简单易控的方法合成氧化锆纳米晶，并首次将氧化锆纳米晶作为电催化剂应用于电化学氮气还原反应中，实现了高效地氨合成。电化学测试结果表明，在0.1 mol/L的盐酸溶液中，氧化锆纳米晶的催化产氨量和法拉第效率均非常高，分别为27.93μg·h^-1·mg^-1和6.18%。     

N2循环升温延长大型合成氨装置催化剂使用期限

介绍引进国外30万t/a合成氨装置中，增设氮气循环管路，取消转化系统升温时的“干烧”，以避免催化剂及炉管在升温过程里受到热冲击影响，从而延长了催化剂及炉管的使用期限。     

常温常压电化学合成氨催化剂研究进展

氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。目前，工业上普遍采用Haber-Bosch法合成氨，该工艺需要高温高压的反应条件，而且存在能耗高、转化率低且释放大量温室气体等问题。近年来，伴随着人们对能源和环境问题的日益重视，具有能耗低、反应条件温和、绿色环保等优势的常温常压电化学合成氨成为研究热点。催化剂是电化学合成氨的关键，本文介绍了近年来各类常温常压电化学合成氨催化剂的研究与应用进展，并展望了未来发展方向。     

d区过渡金属基催化剂用于电化学合成氨

d区过渡金属基（d-TMs）材料易于改性,且因其空的d轨道有利于吸附氮气（N₂）,分离的d电子可以供给N₂,被认为是理想的电化学合成氨（NRR）催化剂,在近年的深入研究中取得长足进展。本文综述了近几年改性d-TMs基材料应用于NRR的研究报道,简述了基于d-TMs基催化剂的NRR反应机理,并详细总结了表/界面工程、晶面调控与非晶化、缺陷工程、构建仿生位点等改性策略指导设计的d-TMs基NRR催化剂,重点分析了每种改性策略对NRR性能的影响。最后对该领域的发展前景进行了展望,从理论计算模型、催化剂改性、电化学体系、测试及表征手段、氨气（NH₃）检测手段等角度进一步提出了今后需要关注的问题,为改性d-TMs基高效NRR催化剂的设计提供了参考。     

特拉华大学研发高选择性高效电催化剂可将二氧化碳转化为化学品

正美国特拉华大学的研究人员开发了一种高选择性催化剂,能够使用电化学方法将二氧化碳转化为一氧化碳,其转化效率高达92%。该项研究成果已发表于英国《自然通讯》杂志上。研究人员指出,在可再生和可持续能源研究领域,将二氧化碳转化成工业原料的难度很大。目前在这种转化工艺中,常用多晶银作为电化学催化剂。他们发现,当使用了纳米多孔银电催化剂,可以更加有效地将二氧化碳转化为有用的化学品。纳米多孔银催化剂的内表面面积很大且高度弯曲。据测算,其内表面面积是多晶银的约150倍,固有活性是多晶银的约20倍。而在将二氧化碳转化为一氧化碳的反应过程中,纳     

湖南省醴陵市协华科技实业有限公司

<正>公司自二十世纪八十年代初期开始烃类转化催化剂的开发生产及应用,研制生产的FZ系列烃类转化催化剂在国内合成氨、制氢、甲醇装置上成功应用,其加压部分氧化加纯氧转化催化剂是国内少有在工业装置应用成功的催化剂。催化剂活性、机械强度、使用寿命等技术指标均达到或超过国内外同类产品水平。公司奉行"质量第一,用户至上"的原则,热忱为广大新老客户服务,不断研究开发和引进先进技术及成果,以满足广大用户的需求。     

等压合成氨工艺节能计算

我国合成氨工业现有工艺中有35%是固定层间歇煤气化,氨合成系统压力高、能耗高,环境差,这些企业最终要更新工艺路线。提出设计煤气化与氨合成等压,取消氢氮气压缩机,目前条件已基本上具备。开发等压合成氨需要两个基本条件:高活性低温低压氨合成催化剂;与高效催化剂匹配的低压工艺。当水煤浆在8.7 MPa制气时,采用ZA-5催化剂实现7.5 MPa的等压合成氨工艺是完全可行的     

电化学合成氨新技术问世

正美国佛罗里达中部大学等机构研究人员日前开发出一种新的电化学方法合成氨技术,可在常温常压下用氮气和水生产氨,只需消耗少量电力。目前工业上使用的合成氨技术仍是哈伯法,氮气和氢气在高温高压下发生反应,能耗和温室气体排放量都较高。用电化学方法合成氨以取代哈伯法,是相关领域的一个研究热点。在以往研究中,电比学法反应的选择性一直很低,法拉第效率不足1%,这意味着超过99%     

负载纳米TiO_2薄膜光催化还原氮气合成氨的研究

对负载纳米TiO2薄膜光催化还原氮气合成氨进行验证,分别讨论了pH值、光照、初始浓度、不同载气和催化剂用量等因素对溶液中氨氮浓度变化的影响,并对实验结果作出初步解释。对自制的TiO2/Ti光电极绘制了Mott-Schotty曲线,初步研究了光电极的半导体性质,计算了其载流子浓度ND、平带电位Фfb及能带弯曲量VB。研究了当下利用TiO2光催化还原氮气合成氨方法的可行性,对TiO2光催化还原性的利用提出相应的意见及建议。     

等离子体合成氨技术研究进展

合成氨工业极大地影响着人类的发展进程,但是传统的合成氨过程需要在高温高压条件下进行。因此,如何降低反应温度和压力一直是该领域的研究热点。等离子体合成氨技术相比传统合成氨技术具有反应条件温和、原料廉价易得、不排放温室气体等优点,这种技术被认为具有很大的发展潜力。本文综述了等离子合成氨技术的发展及近期取得的成果,包括不同放电方式、不同反应器、不同放电参数和进气比例等参数条件对合成氨效果的影响,并对催化剂在等离子体合成氨技术中的作用进行了总结和讨论。根据目前等离子体合成氨技术取得的成果,指出其发展方向有以下几点：使用H₂O和CH₄作为氢源;开发钌基催化剂等贵金属催化剂;设计和制造适合于等离子体合成氨技术的反应器;匹配大功率的电源设备。