作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 所提出的含铜聚对苯二甲酸乙二酯的结构及其通过直接8-电子转移将NO3选择性还原为NH3的优点示意图
红色、白色、灰色、亮蓝色和绿色球体分别代表氧、氢、碳、铜和氮原子
信用:陈等
氨(NH3)是一种无色、气态和水溶性化合物，用于多个行业，包括农业、能源行业和各种工业
一个多世纪以来，生产大量氨的主要方法是通过哈伯-博施工艺，该工艺需要使用高压来产生化学反应，从而能够由氢气和氮气直接合成氨
虽然哈伯-博世工艺能够大量生产氨，但众所周知，氨对人类和环境都有害，因为它涉及化石燃料的消耗，从而加剧了温室效应
由于这些不良影响，研究人员寻求在环境条件下通过N2-H2O化学反应生产氨的替代方法，其中一些方法利用可再生能源
已经发现这些生产氨的新技术中的一些是有效的并且相对便宜
尽管如此，由于惰性氮≡氮键和N2在水中的超低溶解度，它们通常只允许研究人员生产有限数量的氨，并且表现出较差的选择性
华南理工大学和阿尔贡国家实验室的研究人员最近设计了一种新的电化学策略，通过还原硝酸盐来生产氨
他们的方法，发表在《自然能源》上的一篇论文中，是基于铜分子固体催化剂的使用
“从非N2来源直接获得NH3被认为是一个革命性的策略，以解决与以前的氨生产过程相关的问题，”进行这项研究的研究人员之一王海辉告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“在寻找N2以外的含氮替代品来合成NH3时，硝酸盐阴离子(NO3-)脱颖而出，因为与氮-氮三键(941千焦·摩尔-1)相比，氮=氧键(204千焦·摩尔-1)的离解能较低，而且水资源中NO3-的富集造成环境污染并威胁人类健康
" 在环境条件下，在基于H2O的系统中，选择性地将NO3-转化为NH3，对于NH3的大规模生产来说，可能是更绿色的选择
这种替代转化将减轻与当前大规模生产氨的方法相关的环境问题，同时也降低能耗
筛选具有最高活性的元素
甲、甲状旁腺素中各种元素的NH3(蓝色)和NO2(淡紫色)在0电位下的法拉第效率
4 V对RHE
b、NO3的EDD——在1Cu——PTCDA(103)(左)、1Ni——PTCDA(103)(中)和1Ti——PTCDA(103)(右)
蓝色、深蓝色、紫色、天蓝色和绿色球体分别代表铜、镍、钛、氮和氧原子
蓝色电子云表示电荷积累，红色电子云表示电荷耗尽
c，1Cu–PTCDA(103)(左)、1Ni–PTCDA(103)(中)和1Ti–PTCDA(103)(右)上*NO3的投影态密度(PDOS)
信用:陈等
“将NO3转化为NH3绝非易事，因为它需要八电子转移反应以及稍低的反应电势(即
e
, 1
比NO3到N2的五电子转换(1
25V vs RHE)，王解释说
“过去已经提出了具有不同非均相催化剂(例如铜、银、金等)的各种电催化系统，但是它们中的大多数倾向于通过NO3的五电子还原产生N2，而不是期望的八电子还原
" 将NO3-转化为NH3的实际潜力低于被称为析氢反应(HER)的潜力，这导致了H2的产生
这会降低NH3生产的整体效率
在他们的研究中，王和他的同事能够以低能量势垒的方式在掺铜晶体3，4，9，10-苝四羧酸二酐(PTCDA)的催化下实现NO3-到NH3的直接八电子还原
他们使用的催化剂显示出高的产率和突出的选择性，有效地抑制了HER
王解释说:“我们通过将一系列金属如铜、银、金、钌、铑、铱、钯、铂、铋、钛、铬、锰、铁、钴、镍、钇、锆、钼、镧和铈结合到聚对苯二甲酸丁二醇酯中来制备催化剂。”
“我们发现催化剂的高性能可归因于铜3d轨道的独特电子构型，其显示出与硝酸氧2p轨道增加的重叠以增强电荷转移，以及聚对苯二甲酸乙二酯的结构，其有助于调节质子和电子向活性铜中心的转移，然后抑制HER并促进氢氮结合
" 王和他的同事介绍的电化学方法可以解决目前与大规模NH3生产相关的挑战
在最初的测试中，该方法在0的外加电位下实现了60%至86%之间的法拉第效率和大约400至900μg·h–1cm–2之间的NH3生产率
4至0
6伏RHE
结果明显好于使用电化学还原N2为NH3的其他方法所获得的结果
例如，锂介导的方法，在N2-NH3的电还原中以获得相对高的产率而最为人所知，获得了小于36μg·h-1cm的产率
氧铜-聚对苯二甲酸丁二酯的电催化性能
氧化-铜-聚对苯二甲酸乙二酯的线性扫描伏安曲线在0
1 M PBS(黑色)，0
含NO2(红色)和0的1 M PBS
含NO3(蓝色)的1 M PBS
不同电位下第二小时的NH3产率
第二小时不同电位下的NH3法拉第效率
d，0时不同时间的NH3产率
4伏对RHE高达4小时
e、NH3(蓝色)和NO2(淡紫色)法拉第效率在0
4伏对RHE高达4小时
在4h实验后，通过1H核磁共振波谱和靛酚蓝法检测总NH3产率(蓝色)和总法拉第效率(淡紫色)
信用:陈等
王和他的同事最近的研究也为废水中氮(NO3-)的循环利用开辟了新的可能性
几年来，NO3-被认为是一种有毒的水污染物，通常被转化为气态氮并返回到空气中
然而，最近的研究表明，废水中的大量氮实际上可以回收用于施肥
「每年排入水中的总氮是14
5 3
中国100万吨，约为每年合成氮消耗量的50%(300
500万吨)，王说
“2016年，美国种植了9400万英亩玉米，使用了大约8
9亿公斤氮，占美国年氮用量的40%
然而，值得注意的是，2
废水中每年有40亿公斤的氮
统计数据证明废水中的氮可能是一种有价值的资源
" 除了允许以更环保的方式大规模生产氨之外，王和他的同事最近的工作可以为开发具有氮转化能力的废水管理系统铺平道路
这些系统将能够回收大量的氮，最终优化全球资源的使用，保护环境
虽然结果很有希望，但研究人员仍然需要克服两个技术挑战，才能将他们的方法应用于现实世界
这些挑战将是他们下一组研究的主要焦点
“一方面，我们未来的研究将着眼于增强催化剂的结构，以进一步提高其长期稳定性，”王说
在这项工作中，NH3的产率从337
8μg·h-1cm-2至140
15小时后为3μg·h-1·cm-2，此后基本稳定，NH3产率保持在130
40小时后8μg·h-1cm-2
另一方面，我们将致力于NH3电合成的大规模应用，开发用于直接和连续大规模生产高纯度液氨或铵盐的电驱动流动装置
我们计划设计一种直接纯化和收集产品的简单方法，这种方法不需要额外的纯化、运输和其他程序
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
