肖建平研究员团队实现电催化一氧化氮高效合成氨

minghong

近日，我所催化基础国家重点实验室理论催化创新特区研究组（05T8组）肖建平研究员团队和碳基资源电催化转化研究组（523组）汪国雄研究员团队在电催化一氧化氮还原反应（eNORR）合成氨研究方面取得新进展，在Cu6Sn5合金催化剂上实现了96.9%的氨法拉第效率和安培级电流密度。
　　氮氧化物（NOx）的转化处理是一种缓解环境和能源问题的方法，肖建平团队在前期工作中提出了电催化合成氨的新路线（Angew. Chem. Int. Ed.，2020），后续又在该方向进行了多维度的研究（J. Phys. Chem. Lett.，2021；Nat. Commun.，2023）。氨作为一种重要的化学物质，可用于肥料、炸药和硝酸等的制备，还可作为燃料。eNORR合成氨相较于传统的哈伯法，是一种更绿色更经济的去中心化合成氨的策略。

　　本工作中，肖建平团队基于自主开发的图论和反应相图分析算法（ACS Catal.，2021），通过基于描述符的方法初步筛选出铜锡合金具有高eNORR合成氨活性，汪国雄团队进一步合成了Cu6Sn5合金并验证了其具有安培级的合成氨活性。NO电催化实验表明，Cu6Sn5催化剂比Cu和Sn具有更高的活性和选择性，在更广泛的电压范围内也表现出很高的合成氨选择性，在电压为-0.23V vs. RHE时，得到流动池中的氨产率达到10mmolcm-2h-1，法拉第效率为96.9%，并且在大于600mAcm-2时，保持稳定运行135小时。电化学能垒计算表明，Cu6Sn5催化剂比Cu和Sn上生成氨的能垒更低，而且证明Cu6Sn5合金上各产物决速步能垒的大小关系（NH3<N2O<N2<H2）和实验测得产物FE分布趋势相符（NH3>N2O>N2>H2）。合作团队基于自主研发的碱性膜电解器件技术（Nat. Nanotechnology，2023），在总电流为400A时，Cu6Sn5合金上NO电还原产氨速率达到2.5molh-1，展现出了应用潜力。
　　相关研究以“Electrochemical synthesis of ammonia from nitric oxide using a copper-tin alloy catalyst”为题，于近日发表在《自然—能源》（Nature Energy）上。该工作的第一作者是我所05T8组博士研究生井会娟和523组博士研究生邵加奇。以上工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金、中国科学院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”、榆林创新院人工智能科技专项等项目的资助。（文/图 井会娟、邵加奇）
　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01386-6
       文章来源：大连化物所
      肖建平博士2009-2013年在德国不来梅大学物理和电子工程系攻读博士学位(指导导师：Thomas Frauenheim教授和Thomas Heine教授)，主要从事固体氧化物表面稳定性和反应性的理论研究。2013-2015年在中国科学院大连化学物理研究所进行博士后研究工作(合作导师：包信和 研究员/院士)，主要研究在限域环境下催化反应中的一般性规律和电子结构根源。2015-2017年在美国斯坦福大学进行博士后研究工作(合作导师：Jens K. Nørskov 教授/院士)，主要研究电化学还原二氧化碳得到液体燃料的基本原理和方法。2017年11月回国在浙江西湖高等研究院-理学研究所工作，总共发表学术论文57篇，包括Science, Nature Energy, Nature Communications, PNAS, PRL, JACS, Angew Chem, Chem. Sci.等等。