使用铜基催化剂实现可持续氨生产

来自 实验室仪器网

近年来，氨的可持续生产引起了广泛关注，尤其是在农业和化学工业中，氨是重要的原料。然而，传统的哈柏-博施法（Haber-Bosch process）需要高温高压，能耗极高，且对环境造成负担。

研究人员近期开发了一种新型铜基催化剂，能够在更温和的条件下实现氨的合成。这种催化剂在室温下即可有效催化氮气和水的反应，从而减少了能源消耗和碳排放。

在《先进科学》杂志上发表的一项研究中，东北大学材料高级研究所 (WPI-AIMR) 的李浩领导的研究小组专注于硝酸盐 (No 3 - ) 到氨 (NH 3 ) 的电化学转化。该研究揭示了一种有可能彻底改变工业实践的过程，同时也为高效和可持续催化过程的开发提供了新的见解。

氨的市场价值为670亿美元，全球市场规模超过1.75亿吨，对工业发展和食品生产都至关重要。它还具有高能量密度，这使其成为发展中的氢经济的重要组成部分。目前氨的生产方式的缺点是合成主要依赖于能源密集型的Harber-Bosch工艺，该工艺会排放大量二氧化碳。

李和他的同事发明了一种球形氧化铜（CuO）催化剂，其特点是堆积着富含氧空位的微小颗粒。这种催化剂显著提高了氨的产量，在中性电解质中，在-0.80V的电压下（与可逆氢电极相比），氨的产量为15.53mgh-1mgcat-1，法拉第效率为90.69%。

研究还发现，CuO电极的高催化活性是由于电化学还原过程中发生的结构和相变化造成的。

此外，该团队还利用密度泛函理论(DFT)计算来更好地了解催化过程。这些模拟表明，Cu(OH)2的产生降低了硝酸盐吸附的能量障碍，从而使该过程更加高效。此外，Cu(OH)2相被证明会阻碍竞争性氢释放反应，但Cu(111)晶体表面的存在有助于氢化过程。

李教授补充道：“这项研究为电催化氨生产的铜基催化剂的设计提供了新的视角。通过控制反应条件和了解相变，我们可以优化催化剂的性能，从而有可能实现更高效、更可扩展的氨合成工艺。”

展望未来，该团队打算研究在整个还原过程中影响催化剂相变的因素。通过改进这些催化剂的设计，研究人员希望提高其稳定性、活性和选择性，使可持续氨生产的目标更接近现实。

这项研究的成功标志着在化学催化领域迈出了重要一步，为实现绿色化学和可持续发展目标提供了新的思路。

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