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清华大学吕瑞涛组Mater. Today:氮还原反应电催化材料研究进展及挑战

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清华大学吕瑞涛组Mater. Today:氮还原反应电催化材料研究进展及挑战

清华大学吕瑞涛组Mater. Today:氮还原反应电催化材料研究进展及挑战

清华大学材料学院吕瑞涛研究组在材料科学领域知名期刊《Materials Today》上在线发表长篇综述文章《Heterogeneous electrocatalysts design for nitrogen reduction reaction under ambient conditions》。该论文系统总结了近几年常温常压氮气还原合成氨的研究进展并指出了该领域目前面临的主要挑战,提出通过异相催化剂的设计对其性能进行调控,实现氮气-氨的高效转化。

氨是一种重要的化工原料,在工、农业生产和能源储存转换等领域发挥着重要作用。目前,工业上合成氨主要依赖于传统的Haber-Bosch工艺技术,由于该技术需要在高温高压下进行(300~500 ℃、150~200 atm),不仅能耗巨大而且排放大量的温室气体。因此,在能源危机和环境问题日益凸显的情形下,非常有必要开发或寻求在温和条件下合成氨的绿色方法。

相比于传统的Haber-Bosch法,电催化氮还原产氨理论上可在常温常压下进行,并且原料(水和氮气)来源广泛,这为在温和条件下实现氨的绿色合成带来了契机。然而目前的研究表明,由于N≡N三键稳定性极高且氮气吸附缓慢,电催化氮还原产氨在热力学和动力学上都存在巨大的阻碍,并且由于析氢竞争反应的存在,致使氮气还原反应的选择性和产氨速率都大大降低。因此,如何提高产氨速率的同时提升催化剂的选择性是常温常压下电催化氮还原研究面临的最大挑战。

清华大学吕瑞涛组Mater. Today:氮还原反应电催化材料研究进展及挑战

电催化氮还原产氨反应的(a)反应过程示意图(b-d)主要反应机制

该文基于实验研究与理论计算的有机结合,细致探讨了晶面调控、形貌工程、缺陷调控等材料设计策略对催化剂性能的影响,并系统总结了材料设计策略在贵金属催化剂、过渡金属基催化剂、单原子催化剂及非金属催化剂的应用,具体从材料合成、结构表征、性质调控及性能优化等方面系统展开讨论,建立形貌/缺陷调控、材料结构及催化性质三者之间的联系,为高活性、高选择性以及高稳定性的氮还原电催化材料的研发提供新思路。

清华大学材料学院吕瑞涛研究组致力于低维材料的缺陷调控和应用性能研究,系统开展了碳基材料的缺陷设计、可控合成及缺陷构型的原子级可视化解析等研究,在碳材料和二维材料的环境污染物探测、高效微波吸收、超灵敏声压探测、清洁能源等领域的应用方面取得了一系列研究成果。

《Materials Today》是国际材料科学研究领域的知名综述性学术期刊(影响因子:24.537),主要刊登在材料科学与工程领域最新研究进展的评述论文及重要的原创性研究论文,每年出版10期。

文献链接:

Yuchi Wan, Jichu Xu, Ruitao Lv*, Heterogeneous electrocatalysts design for nitrogen reduction reaction under ambient conditions. Mater. Today, 2019: doi.org/10.1016/j.mattod.2019.03.002.

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.03.002

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨吕瑞涛团队

主编丨张哲旭


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