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先进材料实验室郑耿锋教授和化学系徐昕教授团队 利用电催化固氮研究取得进展
2019年07月02日  |  来源:复旦新闻文化网  |  阅读量:391

近年来,复旦大学先进材料实验室郑庚峰教授和化学系徐新教授在电催化固氮研究方面取得了重大进展。6月28日,论文在线发表在Nature Communications,doi: 10.1038/s41467-019-10888-5上,标题为“掺杂菌株诱导的Bi-Ti3+对有效的N2活化和电催化固定”。本研究制备了一对锐钛矿型氧化钛0X1772中相邻的Ti3+位点,扩展了多个活性位点协同活化氮的研究思路,实现了高效固氮。氨的电催化合成。

在过去的一个世纪里,化肥等化工原料中80%以上的氮源来自传统的霍伯-博世氨合成法,在铁基的作用下,利用氮和氢在高温高压下合成氨。d或钌基催化剂。然而,这一过程消耗了大量的能源(每年占全球能源消耗总量的1-2%),需要天然气等化石能源的裂解来获得氢气,产生大量的二氧化碳排放和积累。近年来,探索更绿色、环保的合成氨方法,如在常温常压下水相体系中电催化合成氨,已成为该领域的研究热点。氮(N2)是空气中最重要的组分,其含量约为78%,但其氮-氮三键是最强的化学键之一。它的键能高达941千焦。分子-1。在室温和压力下激活是非常困难的。另外,在水电催化系统中也存在严重的副反应,如将水氢电解0×1772,大大降低了合成氨的效率。

为了解决这些问题,复旦大学的研究小组受天然固氮酶中双金属活性位点催化机理的启发,探索了具有类似机理和双金属活性位点的人工无机催化剂。研究小组以锐钛矿型二氧化钛(锐钛矿型二氧化钛)为基体,在同一亚群不同周期内掺杂离子半径较大的Zr4+,并调节其在单个原子点的分布。掺杂Zr4+的压应力影响了钛氧化物的晶格结构,从而使Ti3+活性位点对与邻近位置相连。理论计算表明,双Ti3+活性位点可以实现对氮分子的特殊桥吸附,从而有效地降低了氮气的活化势垒,进一步催化了电子和质子形成氨的过程。电化学试验结果表明,该催化剂在室温和常压下均能获得较好的固氮和制氨性能和稳定性。最高氨生产速率为8.90 g.h-1。在-0.45V电位下,Cm-2和法拉第效率为17.3%,这项工作不仅详细分析了在双Ti3+位点固定和活化N2的独特机理,而且为进一步制备多位点和协同活化N2提供了新的思路。

本文的合著者是复旦大学高级材料实验室2016年博士生曹娜和化学系博士后陈政。该项目得到了科技部、基金委员会、上海市科委、上海市教育委员会和能源材料联合创新中心的支持。

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在二氧化钛中掺杂Zr4+以引入双Ti3+活性中心的固氮制氨电催化系统示意图

(封面图0X1778黄木)

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