王金蘭教授課題組在電化學固氮機理研究中取得新進展

發布者:李震發布時間:2019-11-05浏覽次數:442

【東大新聞网11月4日电】(通讯员 凌崇益)近日,东南大学物理学院王金兰教授课题组在电化学固氮机理的研究中取得重要进展,其研究成果以“New Mechanism for N2 Reduction: The Essential Role of Surface Hydrogenation”为题发表在化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society(《美国化学会志》)上。

氮元素是構成生物的最主要元素之一。氮氣由于鍵能較高、活化十分困難,因此難以直接應用。目前工業上普遍采用Haber–Bosch法將空氣中的遊離氮轉化爲化合態氮(NH3),然而這一過程需要在高溫高壓下進行,能耗高,並且産生大量的溫室氣體。電化學固氮是合成氨的一種新途徑,能夠在常溫常壓下實現氮氣的還原,因而備受關注。然而,目前關于電化學固氮機理的研究並不全面,存在局限性。例如,根據現有的反應機理,由于N2吸附強度弱,導致N2活化不充分,因此貴金屬催化劑(Au、Pd等)表面N2的電化學還原需要很高的還原電位來驅動。然而,一系列實驗報道表明,Au、Pd等催化劑能夠在極低的還原電位下催化N2的電化學還原,從而導致理論與實驗之間存在顯著的差異。

針對這一問題,王金蘭教授課題組利用第一性原理計算,提出一種全新的電化學固氮機理,表面氫化機理。不同于常規機理中反應的第一步是N2的吸附與活化,在表面氫化機理中,H+的還原是反應的第一步,從而形成表面氫化。在表面*H原子與催化劑的協同作用下,N2能夠與表面*H原子反應生成*N2H2中間體,並最終被還原爲NH3。整個反應過程中,表面氫化是電位決定步,而N2與*H原子反應生成*N2H2是速率決定步。該機理能夠很好地描述貴金屬催化劑表面的電化學固氮過程、解決理論與實驗之間的差異。此外,基于該機理,作者提出可以通過增加電解質溶液中堿金屬離子的濃度來提高催化劑的活性,這一策略也與最近的實驗報道相吻合。因此,該研究能夠爲電化學固氮催化劑的研究與設計提供全新的思路。

本文的第一作者是博士後淩崇益,王金蘭教授爲通訊作者。該工作受到國家傑出青年基金、國家重點研發計劃、博士後科學基金等項目的資助。

論文鏈接爲:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b09232

 

供稿:物理學院


(責任編輯:吳涵玉 審核:宋曉燕)


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