电催化氮气还原合成氨催化材料研究进展

氨是纺织、制药、化肥等领域重要的化工原料,也是一种清洁的能源载体,需求量大。目前氨的工业生产主要为Haber-Bosch法,反应条件严苛,能源消耗大且碳排放较高。电催化氮气还原(NRR)合成氨是一种在常温常压下进行的反应,工作电位低,且电能可通过清洁能源提供,是一种很有潜力的合成氨新工艺。但目前电催化NRR材料的产氨速率和法拉第效率低、工作稳定性不够高、溶液中痕量氨的定量检测困难及检测标准不统一等都为其发展带来了巨大挑战。本文首先介绍了电催化NRR的反应机理和常用研究方法,然后重点梳理了2019年以来NRR催化材料的最新研究进展,最后对该领域研究面临的挑战和机遇进行了展望。     

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-1Na2SO4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/Ag Cl)下其氨合成速率和法拉第效率分别高达6.68×10-11mol·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。     

水溶性介质中CO2电催化还原研究进展

介绍了在水溶性介质中利用电化学催化的方法还原CO2的研究现状:电催化还原机理、电极材料催化剂的分类和选择;综述了温度、电流密度以及压力等对还原选择性和法拉第效率的影响;展望了CO2电催化还原方法的研究方向和应用前景。     

电催化氮还原合成氨电化学系统研究进展

氨是化肥、涂料等领域中重要的化工原料,是产量第二高的商用化学品。目前,90%以上的氨均来自Haber-Bosch法,该工艺需要高温、高压条件,能耗较高,且依赖化石燃料的使用,产生大量CO₂排放,在倡导节能环保的新时代下,该工艺面临严重的能耗及环保问题。电催化氮还原合成氨工艺是一种采用电能驱动的节能工艺,且原料为绿色环保的H₂O和N₂,其有望替代传统合成氨工艺。但是目前该工艺存在一些技术难点有待突破,使其产氨速率、法拉第效率等性能不高,距离商用化生产差距较大。分析总结了该工艺的技术难点,围绕该领域的优化策略,重点综述了针对合成氨电化学系统的改进措施,以及近几年文献报道的研究进展,最后对该领域的未来发展进行展望。     

CO_2电催化还原制烃类产物的研究进展

应用可再生能源驱动CO_2电催化还原制备燃料,是目前清洁能源发展最具前景的方向之一。本文综述了以气态烃类(CH_4、C_2H_4)为目标产物的CO_2电催化还原的研究进展,分别介绍了电催化材料、电解质溶液以及反应机理的研究现状。指出在水溶液电解质中,电催化材料需兼具烃类产物的高选择性与电化学析氢反应的抑制能力,Cu与Cu基材料是电催化材料的首选,Cu的氧化物由于其丰富的结构特征拓宽了电催化材料优选范围。水溶液电解质的性质会显著影响CO_2电催化还原产物的选择性;非水溶液或痕水溶液电解质由于可以显著抑制析氢反应,将会进一步拓宽电催化材料的优选范围。最后介绍了CO_2电催化还原机理研究的现状,指出原位电化学谱学方法的应用与CO_2电催化还原机理模型研究工作的开展,将成为人们深入认识以烃类为目标产物的CO_2电催化还原反应的关键,并有利于指导电催化材料与电解质材料的研究开发。     

复合Fe-Ag/rGO催化剂的制备及其电催化氮还原性能研究

氨是重要的无机化工产品和清洁能源载体。合成氨的工业方法—哈伯工艺存在能耗高且释放大量CO₂温室气体等问题。电催化氮还原合成氨因反应条件温和、能耗低、绿色环保而得到广泛关注，该过程急需开发兼具成本低廉、高导电性、高活性、高选择性等特点的复合催化剂。本文首先制备了氧化石墨烯(GO),然后采用一步化学还原法制备了以还原氧化石墨烯(rGO)为载体的Fe-Ag/rGO复合双金属催化剂以及Fe/rGO、Ag/rGO两种单金属催化剂，采用SEM、EDS和XRD对其微观形貌、元素组成以及晶相结构进行了表征，最后，对比了Fe-Ag/rGO复合双金属催化剂以及Fe/rGO、Ag/rGO两种单金属催化剂的电催化氮还原合成氨性能。     

复合Fe-Ag/rGO催化剂的制备及其电催化氮还原性能研究

氨是重要的无机化工产品和清洁能源载体。合成氨的工业方法—哈伯工艺存在能耗高且释放大量CO₂温室气体等问题。电催化氮还原合成氨因反应条件温和、能耗低、绿色环保而得到广泛关注，该过程急需开发兼具成本低廉、高导电性、高活性、高选择性等特点的复合催化剂。本文首先制备了氧化石墨烯(GO),然后采用一步化学还原法制备了以还原氧化石墨烯(rGO)为载体的Fe-Ag/rGO复合双金属催化剂以及Fe/rGO、Ag/rGO两种单金属催化剂，采用SEM、EDS和XRD对其微观形貌、元素组成以及晶相结构进行了表征，最后，对比了Fe-Ag/rGO复合双金属催化剂以及Fe/rGO、Ag/rGO两种单金属催化剂的电催化氮还原合成氨性能。     

酞菁铜配合物的制备及电催化还原CO2性能的研究

本文采用溶剂热反应法制备了酞菁铜配合物,采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对其结构和形貌进行了表征。将此材料用于CO_2电催化还原研究,结果表明,此材料电催化还原CO_2的过电位较正,电流密度大,在-0.8 V(vs RHE)电位下,可得到还原产物甲酸根的最优法拉第效率,表明酞菁铜配合物的电催化活性较好。     

电催化还原二氧化碳制一氧化碳催化剂研究进展

电催化还原CO₂作为缓解能源危机和全球变暖的有效途径已成为催化领域的研究热点。然而,不同反应途径的氧化还原电位较为接近,使产物的选择性成为电催化还原CO₂所需解决的主要问题。迄今为止,在水性电解质中可实现CO₂选择性地转化为一氧化碳（CO）和甲酸（HCOOH）。本文简述了电催化还原CO₂制CO的机理,包括CO₂吸附过程、二电子转移过程和CO脱附过程。从贵金属的晶面设计、形貌调控和表面功能化对反应活性和产物选择性的影响,铁卟啉、钴酞菁和镍三嗪在还原CO₂为CO反应中的电子转移途径,非金属碳基材料中杂原子和碳基质间的耦合效应等方面,重点介绍了近年来贵金属催化剂、过渡金属络合物催化剂和非金属碳基材料催化剂的研究进展,总结了各类催化剂的优缺点。指出在三类电催化还原CO₂制CO的催化剂中,非金属碳材料具有较高的CO法拉第效率,尤其是非金属碳材料成本较低、制备简单、结构易调控,在电催化还原中具有潜在的应用优势,是有望实现商业化应用的新型催化剂的候选材料之一。     

电催化氮气还原合成氨反应中抑制水解析氢竞争的研究进展

传统工业合成氨Haber-Bosch工艺条件要求严苛,并且存在高能耗以及高CO₂排放问题。电催化氮气还原（nitrogen reduction reaction, NRR）是一种在常温常压下利用氮气合成氨的新工艺,具有成本低、反应条件温和、环境友好等优势。但该反应所需过电位较高,水解析氢反应（hydrogen evolution reaction, HER）竞争明显,导致电流密度和选择性较低,无法达到工业应用水平。本文在介绍电催化NRR合成氨的反应机理的基础上,主要从氮气分子的吸附活化和电还原阶段反应过程出发,综述了电催化氮气还原合成氨反应中HER与NRR的竞争机制。重点梳理了通过设计催化剂和反应体系抑制HER的国内外最新研究成果,最后对电催化NRR合成氨面临的挑战和机遇进行了展望。     

氨燃料固体氧化物燃料电池性能研究进展与展望

氨是一种零碳燃料,也是富氢载体,具有较大储运优势。固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)是一种清洁高效发电装置,在分布式发电、热电联供、储能调峰等领域有广阔应用前景,氨气可直接用作SOFC阳极燃料以实现高效、清洁、低成本发电。首先简介了质子传导型和氧离子传导型氨SOFC的工作原理,电解质、电极材料的选择以及氨气在阳极的分解过程。其次总结了氨SOFC的实验研究现状,以单电池最大功率密度为评价指标,综述了不同电解质/电极材料、电解质厚度、操作温度等因素下两种传导类型的氨SOFC的性能表现,并分析了造成电池性能差异的原因。之后介绍了氨SOFC当前面临的挑战,最后对氨SOFC未来研究方向、热电联供系统的应用进行了展望。     

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。     

低共熔溶剂在电池和电催化中的应用

绿色且高效的电池和电催化反应是可持续发展的基本要求,其关键因素之一在于选择能提高效率的绿色电解质和合成高效电极材料的绿色溶剂。低共熔溶剂(DESs)是一种新型环境友好的电解质和溶剂。与传统的溶剂和电解质(如离子液体、水、超临界二氧化碳)相比,DESs具有合成简便、价格低廉、可设计等优点,在电池和电催化领域有着广阔的应用前景。这方面的研究还处于起步阶段,未见有综述系统介绍。本综述内容包括以下几个部分。(1) DESs作为电池和电催化反应的电解质,其中电池包括太阳能电池、锂离子电池、钠电池、锌电池、铝电池、液流电池、超级电容器,电催化反应包括析氧反应、析氢反应、氧还原反应、全解水反应、氮气电催化反应、二氧化碳电还原反应;(2) DESs作为制备电池和电催化反应电极材料的溶剂;(3) DESs作为回收电极材料的溶剂;(4)结论和展望。     

铜基材料电催化还原硝酸盐制氨研究进展

人类工农业活动导致环境中硝酸盐浓度升高,利用电催化技术将硝酸盐还原合成氨(NO₃RA)符合“双碳”政策,可达到去除硝酸盐污染和制备氨(NH₃)的双重目的。该文综述了铜(Cu)基材料电催化硝酸盐还原的反应机理,从反应机理角度分析了不同Cu基催化材料优势性能的起源。围绕Cu单原子、单金属Cu、Cu基合金、Cu基氧化物和Cu基金属有机框架材料的大量研究实例,对不同Cu基催化材料催化NO₃RA反应的性能进行归纳总结。通过对Cu基材料催化NO₃RA反应影响因素的分析,针对目前存在的问题展开探讨,以期为未来Cu基催化剂电催化NO₃RA反应的开发与实际应用提供参考。     

电催化固氮的研究进展与挑战

氨是一种重要的化工原料,主要通过传统Haber-Bosch工艺制备,该工艺有一定局限性,如耗能高,污染大,对环境造成较大影响。以氮气为原料,在常温、常压下合成氨气是目前化学领域的研究热点之一。分析几种产氨方法,其中电催化还原氮气产氨具有良好的应用前景。介绍电还原产氨原理及目前较为常用的电催化剂贵金属催化剂、非贵金属-金属催化剂和非金属催化剂,并对目前该领域遇到的挑战进行总结。