氨在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和下一代無(wú)碳能源體系中發(fā)揮著重要作用?？稍偕茉打?qū)動(dòng)的電催化還原硝酸鹽（NO3–）合成氨（NH3），是實(shí)現(xiàn)氨生產(chǎn)脫碳和氮資源循環(huán)利用的有效途徑。然而，緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與競(jìng)爭(zhēng)性的析氫反應(yīng)是電化學(xué)合成氨面臨的主要挑戰(zhàn)，研制高性能催化劑和電解器件是提升電化學(xué)合成氨性能，以及促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所團(tuán)隊(duì)，通過(guò)電化學(xué)原位重構(gòu)策略，構(gòu)建了高效電化學(xué)還原硝酸鹽合成氨的銅—?dú)浠Z（Cu—PdHx）界面活性位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了膜電極電解器件中1000小時(shí)工業(yè)級(jí)電流密度制氨，并開(kāi)展了合成氨電堆放大示范。

　　研究團(tuán)隊(duì)研制出的高性能銅/鈀（CuPd）催化劑，在電化學(xué)反應(yīng)條件下，可原位形成具有高本征活性的Cu—PdHx界面位點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)將該催化劑組裝到堿性膜電解器中，實(shí)現(xiàn)了NH3的高效合成。研究發(fā)現(xiàn)，在總電流密度為5A cm–2時(shí)，氨法拉第效率為85.3%，全電池電壓為2.56V，NH3產(chǎn)率達(dá)到19.9mmol h–1cm?2；該反應(yīng)在2A cm–2電流密度下能穩(wěn)定運(yùn)行1000小時(shí)。

　　器件工況原位譜學(xué)表征結(jié)合密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，雙相界面的構(gòu)建和PdHx相的原位形成，共同提升了催化劑的本征活性，Cu—PdHx界面處氫物種的重新分布，有效調(diào)節(jié)了界面活性位點(diǎn)的局部電子結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化了NO3?吸附和NH3脫附。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了5個(gè)串聯(lián)的電極面積為100cm2的膜電極電解電堆，開(kāi)展了電化學(xué)合成氨放大示范：在電流為500A時(shí)，NH3生成速率達(dá)8.7mol h–1，可在100A電流以1.6mol h–1的速率連續(xù)產(chǎn)氨100小時(shí)。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-合成》（Nature Synthesis）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等的支持。

電化學(xué)合成氨研究取得進(jìn)展