科學(xué)家汽車(chē)尾氣合成氨新策略,為煙氣和尾氣中NOx的再利用提供了新思路
近日,中科院大連化學(xué)物理研究所肖建平研究員團隊和鄧德會(huì )研究員團隊合作,提出將工業(yè)廢氣和汽車(chē)尾氣中排放的一氧化氮電催化還原合成氨氣的新策略,在泡沫Cu電極上,NO電催化還原實(shí)驗可得到目前最高的電催化合成氨產(chǎn)率和法拉第效率。為脫硝和電催化合成氨提供了新的思路,相關(guān)研究成果發(fā)表在德國《應用化學(xué)》上。
一氧化氮是一種有害的大氣污染物,通常來(lái)自化石燃料的燃燒,如火電廠(chǎng)鍋爐煙氣、汽車(chē)尾氣等,一氧化氮的去除在工業(yè)煙氣處理中是必不可少的。同時(shí),合成氨在工業(yè)上是一個(gè)非常重要的化工過(guò)程,氨氣是化工生產(chǎn)中一種基礎的化學(xué)物質(zhì),可以用來(lái)制備化肥、硝酸、炸藥等,還可作為燃料電池的燃料。傳統的合成氨方法主要是哈伯法,但此過(guò)程在高溫高壓下才能進(jìn)行,需要消耗大量的能量。電催化氮氣還原合成氨可以在常溫常壓下進(jìn)行,但是由于氮氣分子非常穩定,氮—氮三鍵難以斷裂,面臨著(zhù)低活性和低選擇性的難題,難以得到實(shí)際應用。為變廢為寶,在一氧化氮和氨之間架起一座切實(shí)可行的橋梁,該團隊提出了將煙氣中的一氧化氮電催化還原合成氨的新策略。
研究人員首先基于密度泛函理論計算研究,考慮了數十種不同的一氧化氮還原反應路徑,發(fā)現一氧化氮還原在熱力學(xué)上比氮氣還原和析氫(競爭反應)都更容易進(jìn)行。他們通過(guò)基于描述符的方法篩選出最優(yōu)的過(guò)渡金屬催化劑——銅。電催化動(dòng)力學(xué)計算表明,在Cu表面上,氨氣在不同的還原產(chǎn)物(氨氣、氫氣、一氧化二氮、氮氣)中的生成能壘最低,因此最易于生成氨氣。一氧化氮電催化實(shí)驗表明,銅和鉑具有相近的氨氣產(chǎn)率,但是銅的選擇性更優(yōu),因此選擇銅電極。相對于銅Foil電極,銅Foam由于具有豐富的孔隙結構,催化性能得到進(jìn)一步提高。選用銅Foam,在電壓為-0.9伏時(shí),可得到517.1 μmol/(cm2·h)的氨氣產(chǎn)率和93.5%的法拉第效率,且具有100小時(shí)運行穩定性。這是目前在電催化合成氨中得到的最高的氨氣產(chǎn)率和選擇性,氨氣產(chǎn)率更是達到了傳統熱催化合成氨產(chǎn)率的量級。同位素標記實(shí)驗證明氨氣生成全部來(lái)自于一氧化氮還原。
研究人員通過(guò)微觀(guān)動(dòng)力學(xué)模擬計算了一氧化氮還原的TOF理論值,發(fā)現隨著(zhù)電壓的改變,TOF理論值與實(shí)驗上的氨氣產(chǎn)率呈很好的線(xiàn)性關(guān)系,證明了一氧化氮還原機理的正確性。