组合不同电解质和催化剂降低氨的电化学合成温度

通讯作者：Tianyi Ma博士

单位：澳大利亚阿德莱德大学

背景介绍：

氨 (NH3) 是未来氢燃料经济中一种重要的新兴能源载体和存储介质，其氢元素含量为17.6 wt%，与甲醇相比具有更大的优势，因此需求日益增长。目前氨的生产主要采用传统的高温高压的哈伯法 (Haber-Bosch)，是一个效率低、能耗和环境污染较大的工业过程。氨的电化学合成是通过电催化的方法将N2还原为NH3(NRR) 的方法，该法在降低能耗方面发展前景巨大，能够充分利用可再生能源，且可以简化反应装置。电解质作为电化学合成过程中不可缺少的反应介质，对NRR电催化反应起着至关重要的作用。

图1 固体氧化物电解质构筑NRR电催化体系示意图

本文要点：

在这篇综述文章中，作者阐释了不同电解质和催化剂的组合对NRR电催化反应的影响。首先，作者介绍了NRR催化反应的基本理论和NRR电催化中常见的各类电解质和催化剂材料。随后，文章综述了各类电解质 (固体氧化物电解质、熔融盐电解质、聚合物电解质和液体电解质)与一系列功能性电催化材料在NRR电催化研究中的最新进展，并对催化剂的制备、反应参数和设备进行了详细的介绍和评价。最后，作者总结了各类电解质所构筑的NRR电催化体系发展中所面临的问题，展望了NRR电催化的发展前景，强调了将室温下可操作、价格低廉的液态电解质和易于获得的先进电催化材料相结合，是当今NRR电催化研究中最具发展潜力的研究方向。

图2 典型的固体氧化物电解质结构图

文中提到的NRR反应的有效电解质和电催化剂包括BaZr0.8Y0.2O3-δ和Ag、SrCe0.95Yb0.05O3和Pd、Ce0.8Gd0.18Ca0.02O2-δ-((Li/Na/K)2CO3) 和La0.75Sr0.25Cr0.5Fe0.5O3−δ、Nafion和Sm1.5Sr0.5FeO4、Nafion和SmBaCuNiO5+δ、0.1 M KOH 水溶液和Au纳米棒、0.1 M HCl 水溶液和Au/TiO2、0.5 M Li2SO4和  PEBCD/C、0.5 M H2SO4 水溶液和Ru/Ti等。

图3 熔融盐电解质构筑NRR电催化体系示意图剂及性能

图4 Au/TiO2电催化NRR

作者就以下问题进行讨论并给出建议：1. 每类电解质的物质组成和特点及其与不同催化剂构成NRR电催化体系的结构、反应温度和优缺点。2. 每类电解质所构成的NRR电催化体系的工作原理。3. 每类电解质所构成的NRR电催化体系中亟待解决的问题。

图5 液态电解质 (KHCO3, aq) 构筑NRR电催化体系示意图

图6 新型电解质PEBCD的合成及其构筑NRR电催化体系示意图和机理图