Катализатор на основе меди прокладывает путь к устойчивому производству аммиака

Новости сегодня - Катализатор на основе меди прокладывает путь к устойчивому производству аммиака

Аммиак играет важнейшую роль в производстве продуктов питания и промышленном развитии, его глобальный рынок составляет около 175 миллионов метрических тонн, а рыночная стоимость — 67 миллиардов долларов. Кроме того, он является носителем с высокой плотностью энергии, что делает его ключевым игроком в формирующейся водородной экономике.

Однако недостатком современного производства аммиака является то, что синтез в значительной степени основан на процессе Харбера-Боша, который является энергоемким и приводит к высоким выбросам CO2 .

Тем не менее, исследовательская группа под руководством Хао Ли из Института передовых исследований материалов (WPI-AIMR) Университета Тохоку сосредоточилась на электрохимическом преобразовании нитрата (NO 3 – ) в аммиак (NH 3 ), представив процесс, который потенциально может произвести революцию в промышленной практике, а также предложить новые идеи в разработке эффективных и устойчивых каталитических процессов.

Подробная информация о результатах исследования была опубликована в журнале Advanced Science 9 августа 2024 года.

«В отличие от реакции восстановления азота (NRR), которая требует разрыва прочной тройной связи N=N в азоте (N2 ) , восстановление нитрата (NO3RR ) предлагает более эффективный путь», — отмечает Ли.

«Нитрат имеет гораздо более низкую энергию диссоциации и более высокую растворимость в воде, что упрощает его использование в качестве источника азота для производства аммиака. Это не только повышает эффективность процесса, но и решает экологическую проблему накопления нитратов в водных системах».

Ли и его команда синтезировали сферический катализатор из оксида меди (II) (CuO) , характеризующийся укладкой мелких частиц с вакансиями, богатыми кислородом. Этот катализатор продемонстрировал значительное увеличение выхода аммиака, достигнув 15,53 мг ч -1 мг кат -1 , с эффективностью Фарадея 90,69% в нейтральном электролите при напряжении -0,80 В (по сравнению с обратимым водородным электродом).

Группа также обнаружила, что высокая каталитическая активность электродов CuO обусловлена ​​как структурными, так и фазовыми изменениями, происходящими в процессе электрохимического восстановления.

«Наше исследование показывает, что преобразование CuO в структуру Cu/Cu(OH) 2 в процессе реакции является ключом к эффективности катализатора», — сказал Цюлин Цзян, аспирант WPI-AIMR и соавтор статьи.

«Это изменение фазы не только увеличивает количество активных центров, но и улучшает перенос электронов на поверхности электрода, повышая эффективность реакции восстановления нитрата».

Более того, исследование использовало расчеты теории функционала плотности (DFT) для дальнейшего понимания каталитического механизма. Эти расчеты показали, что образование Cu(OH) 2 снижает энергетический барьер для адсорбции нитрата, делая процесс энергетически выгодным.

Кроме того, было обнаружено, что фаза Cu(OH) 2 ингибирует конкурирующую реакцию выделения водорода, тогда как присутствие кристаллических поверхностей Cu(111) облегчает процесс гидрирования.

«Это исследование предлагает новую перспективу в разработке катализаторов на основе меди для электрокаталитического производства аммиака», — добавляет Ли. «Управляя условиями реакции и понимая фазовые переходы, мы можем оптимизировать производительность катализатора, что потенциально приведет к более эффективным и масштабируемым процессам синтеза аммиака».

Заглядывая вперед, команда планирует изучить факторы, которые влияют на фазовые переходы катализатора в процессе восстановления. Дальнейшее совершенствование конструкций этих катализаторов позволит повысить их стабильность, активность и селективность, приблизив цель устойчивого производства аммиака к реальности.

Новости партнеров: