5月21日，國家能源集團低碳院氫能（氨能）技術(shù)研究中心在電催化氮氣還原合成氨領(lǐng)域取得重要研究進展，開發(fā)出高效鐵、釩雙摻雜三氧化鎢納米催化劑，相關(guān)成果以“Low electronegativity bimetallic doping modulates electrocatalytic nitrogen reduction reaction pathways for synergistic multi-objective optimization”為題，發(fā)表在化工領(lǐng)域一區(qū)TOP期刊《Chemical Engineering Journal》（影響因子13.3）。

圖為鐵、釩雙摻雜三氧化鎢催化氮氣還原生成氨流程示意圖

氨具有高含氫量、易存儲及零碳的特性，可作為清潔能源氫能的載體和可持續(xù)燃料。Haber-Bosch法合成氨工藝為近代農(nóng)業(yè)和工業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻，但消耗了全球約2%的能源，亟需綠色低碳轉(zhuǎn)型。電催化氮氣還原合成氨作為前沿合成氨技術(shù)，可在常溫常壓下直接以水和氮氣為原料合成氨。然而受限于氮氣分子中氮、氮三鍵的高鍵能以及電催化析氫反應(yīng)的競爭作用，目前電催化氮氣還原合成氨的氨產(chǎn)率和法拉第效率較低。

為提升電催化氮氣還原合成氨性能，團隊以對氮氣具有強吸附選擇性的三氧化鎢為載體，摻雜低電負(fù)性的鐵和釩以實現(xiàn)向鎢位點的有效轉(zhuǎn)移電子，改善高電負(fù)性鎢位點電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其對氮氣的吸附和活化，并加速產(chǎn)物氨脫除。結(jié)合密度泛函理論計算、原位電化學(xué)質(zhì)譜和拉曼光譜表征分析，對電催化氮氣還原合成氨的反應(yīng)機理和路徑進行了深入分析。研發(fā)過程中，低碳院核磁共振分析表征團隊創(chuàng)新提出了弛豫試劑與氮去耦技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了電化學(xué)催化合成氨反應(yīng)類型的精準(zhǔn)區(qū)分及氨含量的快速、準(zhǔn)確定量分析。

本研究成功開發(fā)鐵、釩雙摻雜三氧化鎢電催化劑并將原位電化學(xué)質(zhì)譜和原位電化學(xué)拉曼光譜技術(shù)成功應(yīng)用于電催化氮氣還原制氨領(lǐng)域，不僅為相關(guān)催化劑的構(gòu)筑策略和反應(yīng)機理研究提供了指導(dǎo)，也為推動合成氨產(chǎn)業(yè)的綠色低碳發(fā)展提供了技術(shù)支撐。（紀(jì)之驕）