三维纳米多孔金属用于电催化氮气还原合成氨

The traditional Haber-Bosch process for ammonia (NH3) synthesis suffers from drawbacks such as low conversion efficiency, high energy consumption, and serious environmental issues. Electrochemical nitrogen (N2) reduction reaction (NRR) has attracted attention as an emerging alternative to the Haber-Bosch process, but the reported electrocatalytic materials suffer from low NH3 yield rate and low Faradaic efficiency. Three-dimensional nanoporous metal materials are expected to have great potential to improve the electrocatalytic performance of NRR due to the large specific surface area and abundant under-coordinated surface atoms. This project proposes to fabricate a series of nanoporous metal alloy materials with controllable composition, morphology, and surface atomic structure by tuning the precursor alloy compositions and dealloying parameters, and use them as electrocatalysts for NRR. The project will study the effect of the composition, morphology, and surface atomic structure on the catalytic performance of nanoporous metal materials, the whole reaction processes of NRR on active sites to reveal the rate determining step by using density functional theory, and establish the relationship between the composition, morphology, and surface atomic structure with the catalytic performance. This project will not only represents a promising step toward the practical application of the ambient NRR for NH3 synthesis, but also open up an avenue for designing high-efficient electrocatalytic materials for NRR.

传统的Haber-Bosch法合成氨存在转化率低、能耗大、环境污染严重等缺点。常温常压水溶液电催化氮气还原反应(NRR)合成氨是一种有希望替代Haber-Bosch法的新方法，但目前的催化材料存在氨产量低和法拉第效率低的问题。由于具有高比表面积和丰富的低配位数表面原子，三维纳米多孔金属材料具有大幅度提高NRR性能的潜力。本项目拟采用脱合金法，通过设计前驱体合金和调控脱合金化参数制备成分、形貌、表面原子结构可控的纳米多孔合金材料并用于NRR合成氨。项目将采用实验与理论计算相结合，研究成分、形貌、表面原子结构对性能的影响，利用密度泛函理论研究活性位点上的反应过程及反应速控步骤，揭示催化材料的微观作用机制，建立成分、形貌、表面原子结构与催化性能的构效关系。本项目的开展不仅可进一步推动常温常压NRR合成氨的实际应用进程，而且为设计高效、稳定的NRR催化材料提供新思路，具有重要的现实意义和科学价值。

氢被认为是最理想的绿色能源，但高效制氢、储氢和高效用氢仍然存在诸多挑战。由于具有很高的含氢量，而且容易在较低压力和温度的条件下液化，方便储存和运输，氨被认为是一种非常有前景的无碳能源载体。因此，开发氨氢能源循环具有重大意义。通过哈伯-博施（Haber-Bosch）工艺制氨存在高能耗,高化石燃料消耗和高CO2排放的问题。电化学制氨是一种可持续的合成氨途径，但目前存在低氨产率和法拉第效率的问题。另一方面，电解水制氢被认为是最理想的制氢方式，但面临催化剂昂贵、活性低的挑战。本项目围绕“氨氢能源”为主线，在电化学制氨和电解水制氢用催化材料方面开展工作，开发了多种高性能催化材料，显著提高了电化学制氨和电解水制氢性能。电化学制氨的氨产率和法拉第效率达到29.3 mg h-1g-1催化剂和86.2%。采用实验与理论相结合的方法，建立了催化材料的结构与电化学制氨和电解水制氢性能的构效关系。在国际重要学术刊物上发表高水平论文9篇（均为第一标注）。培养了5名博士研究生（1名已毕业），4名硕士研究生（2名已毕业）。