科学家揭示一氧化氮电还原成氨新方法,效率为原来的2倍

氨作为一种重要的含氮化学品，在化肥、炸药和精细化学品的生产中起着至关重要的作用。目前，氨主要由H2和N2在高温（300-500 o C）和高压（200-300 atm）下制得。这个过程消耗大量能源，排放大量温室气体。因此，电化学氨合成（EAS）引起了广泛的关注。

氧化氮(NO x )，例如一氧化氮(NO)，是环境污染物。它们通常通过选择性催化还原 (SCR) 技术去除。

目前EAS主要侧重于N2的电化学还原。然而，N2固有的惰性严重限制了氨的法拉第效率和产率。同时，大量的一氧化氮 (NO) 被排放并导致严重的环境问题。目前的商业化处理技术旨在将NO转化为环保但无用的N2。

从“变废为宝”的角度来看，采用NO作为氮源开发新型EAS策略是一个双赢的机会。但是，由于缺乏有效的电催化剂，这项技术的发展受到阻碍。此外，确定中间体并揭示 NO 电还原反应 (NOER) 的反应机理对于先进电催化剂的设计和构建至关重要。

近日，天津大学张斌教授及其同事通过原位电还原相应的金属氢氧化物，构建了一系列掺Ru的Cu材料。优化后的 Ru 0.05 Cu 0.95以NO/Ar (1/4, n / n )为原料表现出优异的氨合成电催化性能（法拉第效率：64.9%，产率：17.68 µmol cm -2 h -1），明显优于Cu对应物（法拉第效率：33.0%，产率：5.73 µmol cm -2 h -1）。基于电化学原位傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱和在线微分电化学质谱 (DEMS)检测到的中间体，证实了 NOER 在 Ru 0.05 Cu 0.95上的交替 N 途径。

实验和理论模拟表明，Ru 掺杂导致表面Cu d 带中心的降低降低了限速氢化步骤的反应能和NH 3的解吸能，从而提高了NOER 性能。这项工作可能为合理设计和构建用于 NO 到 NH 3转化的高效电催化剂开辟了一条新途径。