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2020-11-30 作者:物理学院 来源:科学技术处

邹志刚/姚颖方团队首次发现氮还原中的多米诺效应

氨是最广泛的工业化学品之一,全球产量每年1.7亿吨主要通过哈伯-博施工艺实现规模化生产。然而该反应必须在高温和高压条件下进行,消耗1全球能源,并排放超过4.5亿吨二氧化碳。因此解决哈伯-博施工艺所带来的高能耗和温室气体排放问题已迫在眉睫。近年来,常温常压下水相电催化氮还原提供了一种可能的方式。由于产氢竞争反应激烈,以及氮气固有的溶解度、氮氮三键难以活化等属性使水相电催化氮还原进入发展瓶颈非水相锂介质氮还原作为一种新的产氨策略,可以通过锂在非水溶剂中氧化还原循环,实现高效氮气的活化和氨的产生。然而非水相锂介质氮还原目前仍面临着锂作用机理模糊和催化材料设计策略匮乏等问题,阻碍非水相氮还原的发展。

近日,南京大学邹志刚/姚颖方团队首次发现非水相氮还原过程中的多米诺效应:即一旦完成第一步锂离子还原,整个氮还原反应将如推倒的多米诺骨牌一般,自发完成后续氮气固定和还原。

Li+ + e- → Li                            ∆G=293.31 kJ mol-1             (1)

6Li + N2 → 2Li3N                   ∆G=-135.40 kJ mol-1           (2)

Li3N + 3H+ → NH3 + 3Li+      ∆G=-760.98 kJ mol-1           (3)

该团队利用原位X射线衍射技术监测锂介质氮还原过程,发现了氮还原中锂中间产物的变化,验证了锂离子还原是锂介质氮还原反应的关键步骤另外,研究者以碳纸担载金纳米颗粒作为模型电极材料,发现纳米颗粒可充当锂离子还原的电催化材料。计算和实验结果都表明,有更高的电子亲和力,有效降低了锂离子还原的电子转移势垒作为一种典型的电化学插层材料,表现出更高的电子转移势垒,限制了锂还原动力学。研究结果表明锂离子还原电催化剂对氮还原极材料设计至关重要,为电催化氮还原的研究提供了全新的思路。该论文发表在《德国应用化学》Angew. Chem. Int. Ed.上。

论文信息:

Domino effect: gold electrocatalyzing lithium reduction to accelerate nitrogen fixation

文章的第一作者是南京大学环境材料与再生能源研究中心博士生高麟峰和曹媛。

DOI: 10.1002/anie.202015496

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202015496