Small Methods: 常温常压下氮氧化铬纳米颗粒电催化氮气还原合成氨

氨是一种无碳的氢能载体,具有高能量密度(4.32 kWh L-1)、易液化、易存储运输、可解离生成氢气等优点。在传统工业中,氨主要是通过Harbor-Bosch方法来生产。在这一方法中,首先需要利用天然气或煤的蒸汽重整制备氢气,再在高温高压的条件下利用氢气和氮气来合成氨。目前工业合成氨所导致的CO2排放量和能耗分别占全球总量的0.5%和2%。因此,近年来许多小组开始致力于利用可再生能源来合成氨的研究,以期解决合成氨过程中的能耗和CO2排放量大等问题。通过电化学方法还原氮气合成氨具有较大的优势。但由于氮气还原反应和氢气析出反应的理论电势非常接近,目前的电化学合成氨的研究中,依旧存在电化学合成氨的库伦效率和反应速率都很低的问题,离实际应用还有较大的距离。

近日,Small Methods在线发表了来自香港科技大学邵敏华教授和南方科技大学王海江教授、李辉教授的氮气还原反应的最新工作。常温常压下,氮氧化铬(CrO0.66N0.56)纳米颗粒作为氮气还原催化剂表现出了优异的氮气还原催化活性。在自制的质子交换膜电解池装置中,氨气生成速率在2V时可达8.9×10-11 mol s-1 cm-2 和15.56μg h-1 mg-1, 其最高库伦效率在1.8V时达到了6.7%。相同测试条件下,氮氧化铬催化性能远优于氮化铬(CrN)。研究发现,氮化物的部分氧化使得氮氧化铬催化剂表面的电子特性发生变化,从而提高氮还原的催化活性。此外,相对于贵金属催化剂Pt/C和Pd/C,氮氧化铬的氮气还原催化活性也更好。该研究表明,部分氧化是可提高金属氮化物催化性能的一种可行途径。

相关工作以 “Chromium Oxynitride Electrocatalysts for Electrochemical Synthesis of Ammonia Under Ambient Conditions”为题发表在Small Methods上(DOI: 10.1002/smtd.201800324)。