Advanced Science:如何提高光/电催化合成氨实验中产物检测的准确性和可靠性?

氨是重要的无机化工产品之一,合成氨工业在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为化肥外,农业上使用的氮肥,例如:尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复合肥,都是以氨为原料的。目前工业上合成氨主要采用经典的Haber-Bosch工艺将N2固定在NH3上,并且需要在铁基催化剂存在的条件下,在苛刻的反应条件下进行(15-25 MPa,300-550℃)。然而,这一过程需消耗世界能源供应的1-2%,每年向大气中排放大量的二氧化碳。同时,用于合成氨的原料氢气主要来自甲烷的重整,其占世界年度天然气产量的3-5%,这个过程也会释放大量的二氧化碳。这些会带来一系列环境污染和能源短缺等困扰人类可持续发展的难题。因此,在能源危机和环境问题日趋严峻的当下,寻求和开发绿色的氨合成方法显得尤为重要。

相比Haber-Bosch法,光/电催化合成氨往往可以以清洁和储能丰富的太阳能或者电能为驱动力,以来源广泛的水和氮气为原料,可促使在常温常压下实现氮气到氨的转换,这为合成氨提供了可替代的新方法。近年来,越来越多的课题组致力于开发新型高效的光/电合成氨的催化剂和反应体系。光/电催化合成氨也逐渐成为基础和应用研究的热门新领域,但目前用于氨检测和定量的方法的准确性还亟待改善。在很多已报道的研究结果中,氨产率偏低,而且较少考虑到检测过程中干扰物对氨定量的影响,这往往导致报道的氨产量可能不十分准确乃至失去参考意义。

中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员课题组系统地研究了多种常用的检测方法(Nessler’s reagent method, indophenol blue method and ion chromatography method)在水介质中对氨定量的优点和局限性。结果表明,溶液的pH值,某些金属离子,牺牲剂和含氮化学物质的存在都会对氨的检测和定量产生不利影响。因此,由于反应过程中广泛存在NHx来源和一系列对氨检测存在的干扰物,准确测定氨浓度其实是很具挑战性的。基于所提供的数据支持,作者们构建了一个流程图,以帮助研究人员选择最佳的氨定量检测方法。该工作将为进入合成氨领域的科研人员提供指导和借鉴,避免许多与氨检测和定量相关的常见误区。同时,该研究也将会促进可靠的氨检测技术的改进和开发。

本文通过比较在一系列反应条件下使用不同氨检测方法获得的结果,期望为科研人员选择最佳氨定量方法提供指导。相关研究工作已发表在Advanced Science上(Adv. Sci. 2019, 1802109)。

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