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林柏霖JACS：從熱力學(xué)角度探討，什么金屬應(yīng)該用于氮氣和氫氣電合成氨？

第一作者：Dongling Jin

通訊作者：林柏霖

通訊單位：上?？萍即髮W(xué)

論文速覽

本研究聚焦于通過電化學(xué)方法將氮氣和氫氣轉(zhuǎn)化為氨（M-eNRRs）的過程中，應(yīng)使用哪種金屬作為催化劑。目前，這一問題尚未得到解答。

研究通過比較經(jīng)典的Haber Bosch（H-B）工藝與M-eNRRs的能量消耗，發(fā)現(xiàn)使用鋰和鈣這兩種常用于M-eNRRs的金屬作為催化劑時，即使假設(shè)法拉第效率為100%且無過電位，其能量消耗也比H-B工藝高出10倍以上。只有當(dāng)電池電壓不超過0.38V時，電合成才可能從能量角度與H-B工藝相媲美。

進(jìn)一步分析周期表中的其他金屬表明，只有某些重金屬，包括In, Tl, Co, Ni, Ga, Mo, Sn, Pb, Fe, W, Ge, Re, Bi, Cu, Po, Tc, Ru, Rh, Ag, Hg, Pd, Ir, Pt, 和 Au，從熱力學(xué)角度來看，可能比H-B工藝消耗更少的能量，但它們是否能在環(huán)境條件下激活N₂尚待探索。

本研究強(qiáng)調(diào)了進(jìn)行熱力學(xué)分析對于開發(fā)創(chuàng)新策略合成氨的重要性，最終目標(biāo)是大規(guī)模取代H-B工藝。

圖文導(dǎo)讀

圖1: (a) 展示了氨合成過程（H-B工藝和M-eNRRs工藝）。(b) 突出顯示了可能比當(dāng)前最先進(jìn)的H-B工藝具有更低能量消耗潛力的M-eNRRs所使用的金屬，而未突出顯示的金屬即使在假設(shè)100%法拉第效率和零過電位的情況下，其M-eNRRs的能量消耗也比H-B工藝低。

圖2: (a) 展示了法拉第效率和電池電壓對M-eNRRs能量成本的影響。紅色星號代表先前報道的Li-eNRRs和Ca-eNRRs的能量成本，黑色陰影區(qū)域代表H-B工藝的能量成本。(b) 分別展示了H-B工藝、Li-eNRRs和Ca-eNRRs的能量成本范圍。(c) 展示了水和有機(jī)溶劑中電池電壓的差異。(d) 展示了在假設(shè)100%法拉第效率和0過電位的情況下，M-eNRRs與H-B工藝之間的能量差距。

總結(jié)展望

本研究的亮點在于，通過熱力學(xué)分析，揭示了在環(huán)境條件下通過電化學(xué)方法合成氨的潛在金屬催化劑。盡管目前使用鋰和鈣作為催化劑的能量消耗遠(yuǎn)高于H-B工藝，但研究指出，某些重金屬可能從熱力學(xué)角度提供更低的能量消耗路徑。此外，研究還提出了通過開發(fā)類似于氮酶的多組分材料來促進(jìn)或催化氨的電合成，這可能是一個可行的途徑。

最終，研究強(qiáng)調(diào)了尋求可持續(xù)的工業(yè)氨生產(chǎn)方法的重要性，以滿足碳中和的迫切需求，并為未來氨的局部生產(chǎn)提供了新的機(jī)會，只要能開發(fā)出經(jīng)濟(jì)上可行的方法來解決高能量成本和從電解液中純化氨的問題。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：What Metals Should Be Used to Mediate Electrosynthesis of Ammonia from Nitrogen and Hydrogen from a Thermodynamic Standpoint?

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.4c02754

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/04/16/7d61b6bf25/

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