Ammoniak är ett nödvändigt råmaterial för att producera kvävebaserade gödselmedel, kemikalier, läkemedel och polymerer. Hittills används cirka 80 % av den globala ammoniaken för att producera kvävebaserade gödselmedel, vilket motsvarar 50 % av den globala livsmedelsproduktionen.
Den globala produktionen av ammoniak är cirka 180 miljoner ton per år genom den kolintensiva och mycket energikrävande Haber-Bosch-processen. Den höga energiförbrukningen, höga kolintensiteten och höga kapitalinvesteringarna i Haber-Bosch-processen gör utvecklingen av miljömässigt hållbara och prisvärda vägar för ammoniaksyntes under omgivande förhållanden mer brådskande.
Den elektrokemiska ammoniaksyntesen, som drivs av förnybar energi, erbjuder en lovande inställning till detta pussel. Elektrokatalytisk nitratreduktionsreaktion (NtrRR) för ammoniaksyntes vid omgivningsförhållanden har potentialen att ta itu med miljöfrågor och erhålla användbara kemikalier samtidigt.
Även om många ansträngningar har gjorts för att utveckla en effektiv katalysator för att förbättra ammoniak Faraday effektivitet och strömtäthet i NtrRR, står den fortfarande inför vissa vetenskapliga och praktiska utmaningar. Detta perspektiv syftar till att diskutera dessa utmaningar och föreslå motsvarande lösningar.
I ett färskt perspektiv från Institutionen för fysik vid Danmarks Tekniska Universitet, utforskar Dr. Xianbiao Fu den lovande utvecklingen och utmaningarna inom elektrokemisk nitratreduktion för ammoniaksyntes. Detta perspektiv publicerades i Chinese Journal of Catalysis .
Dr Fu betonar vikten av hållbar nitratförsörjning, och föreslår tre potentiella vägar:att utnyttja industriellt avloppsvatten, använda plasmaprocesser och utforska elektrokemisk oxidation av kväve. Hållbar och prisvärd nitratproduktion identifieras som en nyckelutmaning för genomförbarheten av elektrokemisk nitratreduktion.
Studien understryker betydelsen av att förstå artbalansen i nitratreduktionsreaktioner, särskilt när det gäller förändringar i elektrolytens pH över tid. Denna faktor, som ofta försummas, kan påverka det elektrokemiska systemets långsiktiga stabilitet och prestanda.
En anmärkningsvärd utmaning som lyfts fram är massöverföringsbegränsningen av nitrat, vilket kräver innovativa lösningar för att förbättra transporten av nitrat vid höga strömtätheter. Detta perspektiv diskuterar potentiella strategier, såsom mikrofluidiska reaktorer, omrörning och användningen av högkoncentrerade nitratelektrolyter.
Stabiliteten hos katalysatorer för nitratreduktion identifieras som en avgörande aspekt, särskilt för industriella tillämpningar. Även om vissa övergångsmetaller som koppar och kobolt har visat hög aktivitet och selektivitet, är deras stabilitet under långvarig användning fortfarande ett problem. Strategier som legering, inkapsling och immobilisering föreslås för att förbättra katalysatorstabiliteten.
Sammanfattningsvis ger detta perspektiv en heltäckande översikt över möjligheterna och utmaningarna med elektrokemisk nitratreduktion för ammoniaksyntes.
Fus insikter banar väg för framtida forskningsriktningar, och betonar behovet av hållbara nitrattillförselvägar, förståelse för artbalans, övervinna massöverföringsbegränsningar och säkerställa katalysatorstabilitet för att främja fältet mot miljövänlig och ekonomiskt gångbar ammoniaksyntes.
Mer information: Xianbiao Fu, Några tankar om den elektrokemiska nitratreduktionsreaktionen, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64521-8
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
