近日，大連化物所能源催化轉(zhuǎn)化全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室納米與界面催化研究中心包信和院士團(tuán)隊(duì)在電化學(xué)合成氨研究中取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過電化學(xué)原位重構(gòu)策略，構(gòu)建了高效電化學(xué)還原硝酸鹽合成氨的銅-氫化鈀（Cu–PdHx）界面活性位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了膜電極電解器件中1000小時(shí)工業(yè)級(jí)電流密度制氨，并開展了合成氨電堆放大示范。
氨在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和下一代無碳能源體系中發(fā)揮著重要作用。可再生能源驅(qū)動(dòng)的電催化還原硝酸鹽（NO3–）合成氨（NH3），是實(shí)現(xiàn)氨生產(chǎn)脫碳和氮資源循環(huán)利用的有效途徑。然而，緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與競(jìng)爭(zhēng)性的析氫反應(yīng)是電化學(xué)合成氨面臨的主要挑戰(zhàn)，研制高性能催化劑和電解器件是提升電化學(xué)合成氨性能和促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
在本工作中，團(tuán)隊(duì)研制了一種高性能的銅/鈀（CuPd）催化劑，其在電化學(xué)反應(yīng)條件下，原位形成具有高本征活性的Cu–PdHx界面位點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)將該催化劑組裝到堿性膜電解器中，實(shí)現(xiàn)了NH3的高效合成。研究發(fā)現(xiàn)，在總電流密度為5 A cm–2時(shí)，氨法拉第效率為85.3%，全電池電壓為2.56 V，NH3產(chǎn)率達(dá)到19.9 mmol h–1?cm?2；該反應(yīng)在2.0 A cm–2電流密度下能穩(wěn)定運(yùn)行1000小時(shí)。器件工況原位譜學(xué)表征結(jié)合密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，雙相界面的構(gòu)建和PdHx相的原位形成共同提升了催化劑的本征活性，Cu–PdHx界面處氫物種的重新分布有效地調(diào)節(jié)了界面活性位點(diǎn)的局部電子結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化了NO3?吸附和NH3脫附。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)研制了5個(gè)串聯(lián)的電極面積為100 cm2的膜電極電解電堆，開展了電化學(xué)合成氨放大示范：在電流為500 A時(shí)，NH3生成速率達(dá)到8.7 mol h–1，可在100 A電流以1.6 mol h–1的速率連續(xù)產(chǎn)氨100小時(shí)。
相關(guān)成果以“Copper–palladium hydride interfaces promote electrochemical ammonia synthesis”為題，發(fā)表在《自然-合成》（Nature Synthesis）上。該工作第一作者是大連化物所502組博士研究生付云凡和DNL17組王碩副研究員。上述工作得到中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“能源電催化的動(dòng)態(tài)解析與智能設(shè)計(jì)”、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
