Nyligen introducerade ett forskarlag under ledning av prof. Ji Liang från Tianjin University, Kina, systematiskt forskningsframstegen för framställning av nitrat/nitrit genom ammoniakelektrooxidationsreaktion och föreslog olika strategier för att förbättra katalysatorernas elektrokatalytiska prestanda genom att modulera deras sammansättning och struktur för att hämma sidoreaktioner och elektrodkorrosion i den elektrokatalytiska processen, och slutligen föreslår de möjligheter och utmaningar som ammoniakelektrokatalys står inför samt dess utvecklingstrend.
Resultaten publicerades i Chinese Journal of Catalysis .
Nitrit och nitrat (NO2/3 - ) är viktiga ämnen inom industri, jordbruk och livsmedelsteknik. Den nuvarande processen för tillverkning av NO2/3 - av Ostwald oxidation åtföljs ofta av betydande energiförbrukning och utsläpp av växthusgaser.
Elektrokatalytisk oxidation av ammoniak är en lågemissions- och energieffektiv lågtemperaturprocess som möjliggör kontinuerlig produktion av NO2/3 - , undvika bildandet av skadliga N2 O, och kan drivas helt av förnybar el. De flesta av de aktuella studierna av ammoniakoxidationsreaktionen har fokuserat på väteproduktion från ammoniakkrackning och direkta ammoniakbränsleceller, medan studien av relevansen av ammoniakomvandling till NO2/3 - har fått lite uppmärksamhet.
Därför, baserat på en sammanfattning av arbetet under de senaste åren, ger vi en översikt över reaktionsmekanismen och designidéer för katalysatorer för att ge teoretisk vägledning för forskare att utveckla katalysatorer med fokus på NO2/3 - generering och att lägga grunden för framtida kvävekretsloppssystem.
Baserat på den möjliga reaktionsmekanismen för elektrokatalytisk ammoniakoxidationsreaktion (AOR), introducerar detta dokument reaktionsförhållandena, detektionsmetoder, in situ karakteriseringsmetoder och teoretiska beräkningar av AOR. Baserat på sammanfattningen av de faktorer som påverkar AOR-katalysatorerna, föreslår detta dokument designstrategier och syntesmetoder för elektrokatalysatorer under de senaste åren och ger en syn på den framtida utvecklingen av ammoniakfältet.
För det första diskuteras de viktigaste svårigheterna med AOR baserat på reaktionsprincipen och adsorptionsvägen för reaktionsintermediärer. Därefter sammanfattas systematiskt testkraven för AOR och de viktiga rollerna för in-situ karakterisering i den mekanistiska studien av AOR, och de viktiga rollerna för densitetsfunktionella teorin (DFT) för studiet av reaktionsenergibarriärer och katalysatorelektron-orbital. fördelningar i den katalytiska processen av AOR diskuteras.
Dessutom kan kontrollerbara strategier såsom design av katalysatorlegeringar, gränssnittsteknik, amorfiseringsbehandling och mono- eller diatomisk modulering hjälpa till att hämma sidoreaktionerna såväl som skadorna på elektroderna av de frätande ämnen som genereras under elektrolysprocessen.
Slutligen presenteras framstegen för ammoniakoxidation i foto-, termo- och biokatalytiska tillämpningar, och nuvarande utmaningar och lösningsstrategier för AOR, såsom kombinationen av avancerad materialdesign med teoretiska beräkningar, föreslås för att hjälpa till att hitta nya hög- prestanda AOR-elektrokatalysatorer.
Förbättringen av det katalytiska systemet och optimeringen av reaktorn kommer att påskynda industrialiseringen av storskalig grön, effektiv och lågenergi elektrokatalytisk beredning av NO2/3 - .
Sammanfattningsvis är de framsteg som gjorts inom AOR-området tillräckliga för att bekräfta genomförbarheten av ammoniakelektrooxidation för framställning av NO2/3 - för industriell produktion, vilket ger nya möjligheter för den växande efterfrågan på NO2/3 - leverans.
Även om AOR fortfarande står inför problemen med låg prestanda och omogna processer, med kombinationen av teoretisk och experimentell forskning och utveckling och användning av in-situ karakteriseringsteknologi, kommer effektiva och stabila AOR-katalysatorer att dyka upp i framtiden, och den kolfria energin återställningsnätverk centrerat på AOR kommer att etableras snabbt.
Mer information: Yunrui Tian et al, Metallbaserade elektrokatalysatorer för ammoniakelektrooxidationsreaktion till nitrat/nitrit:förflutna, nutid och framtid, Chinese Journal of Catalysis (2024). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64576-0
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
