Metalbaserede elektrokatalysatorer til ammoniakelektrooxidationsreaktion til nitrat/nitrit:fortid, nutid og fremtid

For nylig introducerede et forskerhold ledet af prof. Ji Liang fra Tianjin University, Kina, systematisk forskningsfremskridtet med hensyn til fremstilling af nitrat/nitrit ved ammoniak-elektrooxidationsreaktion og foreslog forskellige strategier til at forbedre den elektrokatalytiske ydeevne af katalysatorerne ved at modulere deres sammensætning og struktur for at hæmme sidereaktioner og elektrodekorrosion i den elektrokatalytiske proces og til sidst foreslår de muligheder og udfordringer, som ammoniakelektrokatalyse står over for, samt dens udviklingstendens.

Resultaterne blev offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

Nitrit og nitrat (NO_2/3 ^- ) er vigtige stoffer i industri, landbrug og fødevareteknik. Den nuværende proces med fremstilling af NO_2/3 ^- af Ostwald oxidation er ofte ledsaget af et betydeligt energiforbrug og drivhusgasemissioner.

Elektrokatalytisk oxidation af ammoniak er en lav-emission og energieffektiv lavtemperaturproces, der muliggør kontinuerlig produktion af NO_2/3 ^- , for at undgå dannelsen af ​​skadelig N₂ O, og kan være fuldt drevet af vedvarende elektricitet. De fleste af de nuværende undersøgelser af ammoniakoxidationsreaktionen har fokuseret på brintproduktion fra ammoniakkrakning og direkte ammoniakbrændselsceller, mens undersøgelsen af ​​relevansen af ​​ammoniakomdannelse til NO_2/3 ^- har fået lidt opmærksomhed.

Derfor giver vi, baseret på en opsummering af arbejdet i de seneste år, et overblik over katalysatorers reaktionsmekanisme og designideer for at give teoretisk vejledning for forskere til at udvikle katalysatorer med fokus på NO_2/3 ^- generation og at lægge grundlaget for fremtidige nitrogenkredsløbssystemer.

Baseret på den mulige reaktionsmekanisme for elektrokatalytisk ammoniakoxidationsreaktion (AOR), introducerer dette papir reaktionsbetingelserne, detektionsmetoder, in situ karakteriseringsmetoder og teoretiske beregninger af AOR. Baseret på et resumé af de faktorer, der påvirker AOR-katalysatorerne, foreslår dette papir designstrategier og syntesemetoder for elektrokatalysatorer i de seneste år og giver et perspektiv på den fremtidige udvikling af ammoniakfeltet.

For det første diskuteres de vigtigste vanskeligheder ved AOR baseret på reaktionsprincippet og adsorptionsvejen for reaktionsmellemprodukter. Derefter opsummeres testkravene for AOR og de vigtige roller for in-situ karakterisering i den mekanistiske undersøgelse af AOR, og de vigtige roller af tæthedsfunktionel teori (DFT) for undersøgelsen af ​​reaktionsenergibarrierer og katalysatorelektron-orbital. fordelinger i den katalytiske proces af AOR diskuteres.

Derudover kan kontrollerbare strategier såsom design af katalysatorlegeringer, interface engineering, amorfiseringsbehandling og mono- eller diatomisk modulering hjælpe med at hæmme sidereaktionerne såvel som beskadigelsen af ​​elektroderne af de ætsende stoffer, der genereres under elektrolyseprocessen.

Til sidst præsenteres fremskridtene for ammoniakoxidation i foto-, termo- og biokatalytiske applikationer, og de nuværende udfordringer og løsningsstrategier for AOR, såsom kombinationen af ​​avanceret materialedesign med teoretiske beregninger, foreslås for at hjælpe med at finde nye høj- ydeevne AOR-elektrokatalysatorer.

Forbedringen af ​​det katalytiske system og optimering af reaktoren vil fremskynde industrialiseringen af ​​storskala grøn, effektiv og lavenergi elektrokatalytisk fremstilling af NO_2/3 ^- .

Sammenfattende er de fremskridt, der er gjort inden for AOR-området, tilstrækkelige til at bekræfte gennemførligheden af ​​ammoniakelektrooxidation til fremstilling af NO_2/3 ^- til industriel produktion, hvilket giver nye muligheder for den stigende efterspørgsel efter NO_2/3 ^- forsyning.

Selvom AOR stadig står over for problemerne med lav ydeevne og umoden proces, med kombinationen af ​​teoretisk og eksperimentel forskning og udvikling og udnyttelse af in-situ karakteriseringsteknologi, vil effektive og stabile AOR-katalysatorer dukke op i fremtiden, og den kulstoffri energi gendannelsesnetværk centreret om AOR vil blive etableret hurtigt.

Flere oplysninger: Yunrui Tian et al., Metalbaserede elektrokatalysatorer til ammoniakelektrooxidationsreaktion til nitrat/nitrit:Fortid, nutid og fremtid, Chinese Journal of Catalysis (2024). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64576-0

Leveret af Chinese Academy of Sciences