近日，大連化物所能源催化轉(zhuǎn)化全國重點實驗室納米與界面催化研究中心包信和院士團隊在電化學(xué)合成氨研究中取得新進展。研究團隊通過電化學(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-氫化鈀（Cu–PdHx）界面活性位點，實現(xiàn)了膜電極電解器件中1000小時工業(yè)級電流密度制氨，并開展了合成氨電堆放大示范。
氨在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和下一代無碳能源體系中發(fā)揮著重要作用。可再生能源驅(qū)動的電催化還原硝酸鹽（NO3–）合成氨（NH3），是實現(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)動力學(xué)與競爭性的析氫反應(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)合成氨性能和促進其實際應(yīng)用的關(guān)鍵。
在本工作中，團隊研制了一種高性能的銅/鈀（CuPd）催化劑，其在電化學(xué)反應(yīng)條件下，原位形成具有高本征活性的Cu–PdHx界面位點。團隊將該催化劑組裝到堿性膜電解器中，實現(xiàn)了NH3的高效合成。研究發(fā)現(xiàn)，在總電流密度為5 A cm–2時，氨法拉第效率為85.3%，全電池電壓為2.56 V，NH3產(chǎn)率達(dá)到19.9 mmol h–1?cm?2；該反應(yīng)在2.0 A cm–2電流密度下能穩(wěn)定運行1000小時。器件工況原位譜學(xué)表征結(jié)合密度泛函理論計算結(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地調(diào)節(jié)了界面活性位點的局部電子結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化了NO3?吸附和NH3脫附。進一步，團隊研制了5個串聯(lián)的電極面積為100 cm2的膜電極電解電堆，開展了電化學(xué)合成氨放大示范：在電流為500 A時，NH3生成速率達(dá)到8.7 mol h–1，可在100 A電流以1.6 mol h–1的速率連續(xù)產(chǎn)氨100小時。
相關(guān)成果以“Copper–palladium hydride interfaces promote electrochemical ammonia synthesis”為題，發(fā)表在《自然-合成》（Nature Synthesis）上。該工作第一作者是大連化物所502組博士研究生付云凡和DNL17組王碩副研究員。上述工作得到中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項“能源電催化的動態(tài)解析與智能設(shè)計”、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
