尹宏利吕宪伟邱书伟任铁真袁忠勇

(1.河北工业大学 化工学院,天津 300130;2.南开大学材料科学与工程学院,天津 300350;3.巴音郭楞职业技术学院,新疆 库尔勒 841000)

氨(NH3)是生产化肥的重要原料、高效的氢载体和新兴的运输燃料,是人类社会和生态系统最重要的化学品之一[1-4]。随着世界人口总量的不断增长和粮食能源危机的加剧,人类社会对氨的需求量将会持续增加[5-6]。目前,工业规模的氨气合成仍然依赖于传统的Haber-Bosch工艺,该工艺不仅需要苛刻的反应条件(温度300℃、压力15000 kPa)[7-9],还消耗大量能量,约占全球消耗能量的1%～3%[10-11]。另外,Haber-Bosch工艺的原料H2主要来源于天然气重整,该过程排放大量CO2气体,加剧温室效应[12]。考虑到恶化的环境污染及带来的不良气候变化,开发能够替代Haber-Bosch工艺的绿色可持续合成氨工艺迫在眉睫。

近年来,研究者们已经探索了多种氨合成方法以实现在温和条件下氮气向氨气的转化,如热催化、光催化、电催化、光电催化、固氮酶催化等[13-17]。然而,这些技术仍然存在不足,如热催化需要相对较高的温度,酶催化中固氮酶稳定性差且回收工艺繁琐,光催化又受到太阳能的不确定性和效率低的限制。与其他工艺相比,电催化氮气还原技术具有明显的优势[18-20],其能量来源丰富,涵盖风能、太阳能、核能、潮汐能等多种能量方式;而且电催化过程可以通过改变界面电场来调节反应物和中间体能量,进而实现对反应方向及速率的有效控制,具有巨大开发潜力。

然而N2稳定的化学键、较高的第一解离能和其在水中较低的溶解度,给温和条件下电催化氮还原反应(NRR)带来了极大的障碍[21],往往需要较大的过电位才可以驱使氮还原反应,且效率十分低下。……