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。     

Ru基氮还原电催化剂性能调控策略

氨是重要的化学品以及理想的能源载体，人工合成氨主要来源于高能耗的Haber-Bosch(H-B)工艺。相比而言，电催化合成氨以N₂和H₂O为原料，实现了温和条件下产氨。Ru基催化剂在氮还原(NRR)过程中表现出优异的催化活性，但由于较为稀缺限制了其发展。基于此，首先概述了NRR的反应机制并对现有的Ru基合成氨电催化剂进行了系统的介绍；详细分析了性能提升策略(结构调控、表/界面工程、缺陷工程)，如何调控活性组分或电子结构，进而提升催化剂的性能；最后分析了Ru基催化剂所面临的挑战。旨在通过Ru基催化剂性能提升策略，实现贵金属Ru的高效利用，并为其他NRR催化剂的开发设计提供指导。     

电催化合成氨研究进展

电催化氮还原合成氨在常压下进行,能克服高耗能、高CO₂排放等问题,是最有希望替代传统方法的新型技术之一。用于电催化合成氨反应的电解质材料按照工作原理和组成可以分为固体氧化物电解质、熔融盐电解质、聚合物膜电解质以及液体电解质等,工作温度依次降低。本文从电解质出发,综述了电催化合成氨工作原理、电极材料、生产速率和法拉第效率等方面的前沿理论和应用案例,指出了目前电催化氮还原合成氨领域面临着合成氨速率和法拉第效率低、电解质的质子传导效率不足、催化剂活性及稳定性不良等问题以及低温化的研究趋势,为深入探索电催化合成氨新方法提供理论支持和方向引导。     

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。     

碳基材料电催化合成氨的研究进展

氨作为重要的肥料和能源载体,传统合成方法(如哈伯-博斯工艺)的高能耗和二氧化碳排放问题促使人们寻求更环保、低能耗的替代方法。电化学氮还原反应(ENRR)被认为是一种有前景的方法。然而,ENRR仍面临着一些挑战,包括催化剂的产率和法拉第效率(FE)受到析氢反应(HER)和氮还原反应(NRR)竞争的影响。近期的研究集中在改进电催化剂以提高其活性和选择性。本文结合电催化机理,综述了碳基材料在NRR反应的研究现状,为寻找更高效、更环保的氨合成方法提供了重要的指导和启示,有望为未来的ENRR研究和环境友好型氨生产的发展奠定基础。     

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。     

电催化氮还原合成氨MOF基催化剂研究进展

室温下电催化氮还原合成氨（nitrogen reduction reaction,NRR）因其较低的能耗而受到广泛关注。到目前为止，设计高效电催化剂以提高NRR性能是研究重点。其中，金属有机骨架（metal organic framework,MOF）及衍生材料因其独特的多孔结构和可控成分等优势促进了其在气体捕获、分离和催化中的应用。本文首先讨论NRR的反应机制，然后重点讨论MOF及衍生材料用作NRR电催化剂的研究进展，最后，对MOF基NRR电催化剂的设计策略、存在问题及NRR催化面临挑战进行了总结与展望。此外，文中指出：(1)自支撑MOF基电催化剂的合理设计对NRR性能有质的提升；(2)机器学习、DFT计算及原位测试技术的有效结合对NRR机理、催化剂的高效设计及筛选等具有重要指导意义。因此这些也将成为NRR催化未来研究趋势。     

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。     

不同结构催化剂催化氨硼烷产氢的研究现状

随着化石能源的消耗,新型清洁能源的开发迫在眉睫.氢能源因其燃烧性能好,且产物为水、无污染而备受关注.目前,氨硼烷(AB,NH3BH3)作为一种固体储氢材料已经引起了广泛的研究兴趣.氨硼烷分子量较轻,理论储氢密度高达19.6 wt％,其水解产氢反应条件温和、速率可控,且气体产物仅为氢气,因此氨硼烷作为一种质轻、无毒、环保...     

Perspective of hydrogen energy and recent progress in electrocatalytic water splitting

As a secondary energy with great commercialization potential, hydrogen energy has been widely studied due to the high calorific value, clean combustion products and various reduction methods. At present, the blueprint of hydrogen energy economy in the world is gradually taking shape. Compared with the traditional high-energy consuming methane steam reforming hydrogen production method, the electrocatalytic water splitting hydrogen production stands out among other process of hydrogen production owning to the mild reaction conditions, high-purity hydrogen generation and sustainable production process. Basing on current technical economy situation, the highly electric power cost limits the further promotion of electrocatalytic water splitting hydrogen production process. Consequently, the rational design and development of low overpotential and high stability electrocatalytic water splitting catalysts are critical toward the realization of low-cost hydrogen production technology. In this review, we summarize the existing hydrogen production methods, elaborate the reaction mechanism of the electrocatalytic water splitting reaction under acidic and alkaline conditions and the recent progress of the respective catalysts for the two half-reactions. The structure–activity relationship of the catalyst was deep-going discussed, together with the prospects of electrocatalytic water splitting and the current challenges, aiming at provide insights for electrocatalytic water splitting catalyst development and its industrial applications.     

Porous TiO2/rGO nanocomposites prepared by cold sintering as efficient electrocatalyst for nitrogen reduction reaction under ambient conditions

Haber–Bosch process as the current dominant artificial NH₃ production process in industry, requires relatively high temperature (350–550 °C) and pressure (150–350 atm). Electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) as a green and sustainable strategy for ammonia production has raised intensive research interest in recent years but still remains a significant challenge because of the lack of high performance electrocatalysts. In this work, porous TiO₂-reduced graphene oxide (TiO₂/rGO) nanocomposite as self-supporting efficient electrocatalyst for NRR under ambient conditions were prepared by cold sintering associated with sacrificial template method. The porous TiO₂/rGO nanocomposite with grain size of ～40 nm were prepared by cold sintering process at 220 °C and 147 MPa. Given the 220 °C as cold sintering temperature, anatase TiO₂ were preserved as the final phase which exhibit much better NRR electrocatalytic performance than the rutile phase. The oxygen vacancy densities in the nanocomposites were also tuned by heat treatment at 450 °C under different atmosphere, while samples heat treated under H₂/Ar atmosphere gave the best electrocatalytic NRR performance with a FE of 8.88 % and an NH₃ yield of 7.75 μg h^?1 cm^?2 at ambient conditions. Experiments also shows that the addition of rGO significantly improved the electrocatalytic NRR performance especially the conductivity. This work not only designed a framework of ceramic nanocomposites based self-supporting and durable electrocatalysts system but also paves a feasible way towards preparing electrocatalysts that are sensitive to high temperature fabrication process.     

电催化分解氨制氢研究进展

氢能作为一种理想的能源载体之一，近些年来受制于储存和运输的难题并未大规模发展。但随着电催化技术的成熟，在温和条件下，通过电催化分解含氢介质的制氢路线或将具备规模化开发清洁能源的潜力。氨(NH₃)具有高储氢密度(17.6%，质量分数)、运输便利、无碳等优点，被认为是合适的储氢介质之一。电催化分解氨的过程主要包括析氢反应(hydrogen evolution reaction， HER)和氨氧化反应(ammonia oxidation reaction， AOR)。重点综述了阳极电催化分解氨的反应机理及AOR催化剂的研究现状，对氨氧化技术的发展和应用进行了总结和展望，可为开发具有更高活性、稳定性的AOR催化剂和“以氨制储氢”的发展路线提供思路和指导。     

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。     

合成氨工业节能减排的分析

催化合成氨技术虽然已经比较成熟,但仍然潜在巨大的节能潜力。当今全球关注的能源问题又摆在合成氨工业的面前,CO₂排放也将受到严格限制。合成氨工业的节能减排应当引起人们的高度重视。本文分析了目前合成氨工业的能耗情况及其节能减排潜力,指出节能的方向在于减少提供动力的燃料消耗,即降低合成压力及其动力消耗;节能的重点,就装置类型来说,在于中小型合成氨装置;就工序过程来说,其重点在于转化工段,就单元过程来说,其重点在于不可逆性最大的过程,如燃烧反应,高的温差、浓差、压差的传递过程。但是进一步节能的关键在于调整原料结构和采用高效催化剂及其配套工艺技术。提出了大型合成氨装置采用国产新型高效催化剂,中小型合成氨装置进行降压节能工艺技术改造以及建立以洁净煤气化技术为核心的合成氨-能源多联产系统等相关建议。     

二维层状纳米片材料制备及在电解水中应用的研究进展

高效、清洁的氢能被认为是化石能源最有潜力的替代能源之一。制氢方法中电解水制氢是非常简便、且易于规模化的一种方法,但是电解水过程中存在制氢能耗增加、成本升高等问题,因此制备能耗低、具有稳定催化效率的催化剂成为能源领域的研究热点。层状双金属氢氧化物（LDHs）由于具有独特的二维层状结构,使其组成易于调节、结构易于调控,因此具有高效的电催化活性。但是,LDHs存在尺寸大、厚度高的问题,导致电催化剂的活性位点的数目受限、本征活性低和电导率低,最终会影响LDHs的电催化性能。主要论述了LDHs的结构和电解机理以及作为电解水催化剂的研究现状,对目前存在的问题以及解决方法进行了归纳,并对未来的研究方向进行了展望。     

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。