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纳米多相催化剂驱动的氮循环电化学的研究希望

时间：2022-08-10 泉源：Nano Research Energy

2022年5月30日，清华大学主理的能源期刊Nano Research Energy(https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)副主编，电子科技大学孙旭平教授揭晓题为“Recent advances in nanostructured heterogeneous catalysts for N-cycle electrocatalysis”的最新综述。

氮(N)是地球上最富厚的元素之一，在生掷中施展着不可替换的作用。它主要作为非极性二氮(N₂)气体(~大气体积的78%)的惰性分子结构保存，具有941 kJ·mol^–1的高键能，N₂不可被大大都植物群和所有生物直接使用。有趣且值得庆幸的是，N₂可以通过闪电或特定的生物方法转化为活性氮。自然界中尚有硝酸盐(NO₃^–)、亚硝酸盐(NO₂^–)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(N₂O)、肼(N₂H₄)、氨(NH₃)等无机含氮化合物，它们大多能够相互转化。这些相互转化历程(如N₂牢靠NH₃、NH₃硝化天生NO₂^–/NO₃^–、NO₃^–反硝化返回N2等)可以组成与碳循环一律主要的生物地球化学氮循环(N-cycle)，具有充分的研究意义。

然而，由一系列自然系统介导的N-cycle受到人类运动的严重影响，由此导致的N-cycle的失衡陪同着严重的情形问题（人类运动导致的N-cycle失衡对陆地、海洋和大气生态系统爆发了严重的负面影响），进而威胁到人类的生涯。例如NO和N₂O都是大气污染物，是工厂和车辆中燃烧化石燃料形成的，NO的快速排放和积累导致了酸雨、臭氧消耗和雾霾等问题。别的，太过使用人工氮肥导致地下水中活性“牢靠”氮素(如NO₃^–和NO₂^–)浓度较高，对陆地和水生生态系统有显著的副作用，这种氮氧阴离子的过量吸收对人和动物都有害。因此，NO/N₂O的排放控制和NO₃^–/NO₂^–对地下水的修复是氮化学研究的主要领域。

在已往的几十年里，人类运动对氮循环的循环清静衡造成了严重的影响。20世纪Fritz Haber和Carl Bosch最伟大的发明之一(H-B工艺，N₂ + H₂→NH₃)使工业化生产NH₃成为可能。然而，不但集中工厂和装备的巨额资金本钱，并且H-B工艺对情形的负面影响，使其不再适合今天人类生长的需要。因此，我们面临着探索可一连/漫衍式的要领来控制氮循环和实现循环氮经济的重大须要性。电还原氮气为电气化工业提供了一种可一连的方法，不但可以将间歇电能存储到有用的化学品(如NH₃)中，还可以直接抵消古板H-B工艺爆发的全球CO₂排放。不幸的是，N₂是热力学上最稳固的物种之一，使N₂到NH₃的转化成为一个高度吸热的历程。事实上，电化学氮还原反应(NRR)很是棘手，它甚至推动了硝酸盐还原反应(NO₃RR)和一氧化氮还原反应(NORR)的生长，以爆发NH₃。使用反应性更强但有害的NO₃^–、NO₃^–、NO等作为前体，不但有助于提高转化效率，并且有望缓解相关的情形污染问题。别的，如图1所示，无机氮化物的电化学转化还包括以N₂(或NO₃^–)为主要产品的氧化反应，如氨氧化反应(AOR)、肼氧化反应(HzOR)、氮氧化反应(NOR)等。

制订减轻这种人为不平衡的可一连计划关于解决严重的情形问题至关主要。具有无邪性、可一连性和兼容性的人工氮循环 (N-cycle) 电催化手艺被以为是塑造地球氮循环未来的可行选择。电催化是指用电、电解质（反应通常以水为质子源）和足够高效的催化剂加速转换历程。在催化剂外貌，N₂、气态氮氧化物、氮氧阴离子均可作为电合成NH₃的氮源。NH₃和N₂H₄在燃料电池中可以转化为N₂。

孙旭平教授团队的最新氮循环综述重点先容了多相纳米催化剂在种种半反应（如NOR, AOR, HzOR, NOOR, NRR, NORR, NO₃RR, NO₂RR）和能源器件（如金属-N₂电池）中的主要希望（主要是在已往三年），包括它们的制备细节和电化学性能。强调了闭环电化学中循环氮物种对同时天生有用化学物质（如NH₃、NH₂OH和N₂H₄）和镌汰污染物（如NO₃^–、NO₂⁻、NO）的有用性。别的，还枚举了许多例子来简要说明催化系统设计的无邪性，例如，在典范的碳外貌上修饰COFs。更主要的是，在氮循环电催化剂的生长中仍然保存问题和挑战，综述总结出了该领域的一些可能的未来趋势，希望对最近 N-cycle电催化的概述能够引发进一步的研究。