Udforskning af udviklinger og udfordringer inden for elektrokemisk nitratreduktion til ammoniaksyntese

Ammoniak er et nødvendigt råmateriale til fremstilling af nitrogenbaseret gødning, kemikalier, lægemidler og polymerer. Til dato bruges omkring 80 % af den globale ammoniak til fremstilling af nitrogenbaseret gødning, hvilket svarer til 50 % af den globale fødevareproduktion.

Den globale produktion af ammoniak er omkring 180 millioner tons om året gennem den kulstofintensive og meget energiforbrugende Haber-Bosch-proces. Det høje energiforbrug, høje kulstofintensitet og høje kapitalinvesteringer i Haber-Bosch-processen gør udviklingen af ​​miljømæssigt bæredygtige og overkommelige ruter til ammoniaksyntese under omgivende forhold mere presserende.

Den elektrokemiske ammoniaksyntese, drevet af vedvarende energi, tilbyder en lovende tilgang til dette puslespil. Elektrokatalytisk nitratreduktionsreaktion (NtrRR) til ammoniaksyntese ved omgivende forhold har potentialet til at løse miljøproblemer og opnå nyttige kemikalier samtidigt.

Selvom der er gjort mange bestræbelser på at udvikle en effektiv katalysator til forbedring af ammoniak Faraday effektivitet og strømtæthed i NtrRR, står den stadig over for nogle videnskabelige og praktiske udfordringer. Dette perspektiv har til formål at diskutere disse udfordringer og foreslå tilsvarende løsninger.

I et nyligt perspektiv fra Institut for Fysik ved Danmarks Tekniske Universitet udforsker Dr. Xianbiao Fu de lovende udviklinger og udfordringer inden for elektrokemisk nitratreduktion til ammoniaksyntese. Dette perspektiv blev offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

Dr. Fu understreger vigtigheden af ​​bæredygtig nitratforsyning og foreslår tre potentielle ruter:udnyttelse af industrielt spildevand, anvendelse af plasmaprocesser og udforskning af elektrokemisk oxidation af nitrogen. Bæredygtig og overkommelig nitratproduktion er identificeret som en nøgleudfordring for levedygtigheden af ​​elektrokemisk nitratreduktion.

Undersøgelsen understreger betydningen af ​​at forstå artsbalancen i nitratreduktionsreaktioner, især med hensyn til ændringer i elektrolyt-pH over tid. Denne faktor, der ofte overses, kan påvirke det elektrokemiske systems langsigtede stabilitet og ydeevne.

En bemærkelsesværdig udfordring, der fremhæves, er masseoverførselsbegrænsningen af ​​nitrat, som kræver innovative løsninger til at forbedre transporten af ​​nitrat ved høje strømtætheder. Dette perspektiv diskuterer potentielle strategier, såsom mikrofluidiske reaktorer, omrøring og brugen af ​​højkoncentrerede nitratelektrolytter.

Stabiliteten af ​​katalysatorer til nitratreduktion er identificeret som et afgørende aspekt, især til industrielle anvendelser. Mens visse overgangsmetaller som kobber og kobolt har vist høj aktivitet og selektivitet, er deres stabilitet over længere tids brug stadig et problem. Strategier såsom legering, indkapsling og immobilisering foreslås for at forbedre katalysatorstabiliteten.

Afslutningsvis giver dette perspektiv et omfattende overblik over mulighederne og udfordringerne ved elektrokemisk nitratreduktion til ammoniaksyntese.

Fu's indsigt baner vejen for fremtidige forskningsretninger, idet de understreger behovet for bæredygtige nitratforsyningsruter, forståelse af artsbalance, overvindelse af masseoverførselsbegrænsninger og sikring af katalysatorstabilitet for at fremme feltet mod miljøvenlig og økonomisk levedygtig ammoniaksyntese.

Flere oplysninger: Xianbiao Fu, Nogle tanker om den elektrokemiske nitratreduktionsreaktion, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64521-8

Leveret af Chinese Academy of Sciences