生物質衍生氮摻雜多孔碳應用於電催化固氮研究獲進展

近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所環境與能源納米材料中心在生物質衍生氮摻雜多孔碳電催化固氮研究方面取得新進展，該工作展示了生物質衍生氮摻雜多孔碳中吡啶氮在電催化固氮中的重要作用，並對其固氮機理進行了深入探究。相關研究發表在ACS Energy Letters(ACS Energy Lett.2019, 4, 377-383)上。

氨(NH3)是人造肥料的氮源，是維持人類生命最基本的合成化學物質之一，其與人類和社會的發展密切相關。眾所周知，大氣中的N2（占~78%）取之不盡、用之不竭，但N≡N鍵的化學惰性使N2很難轉化為NH3。在工業上，通常利用鐵基催化劑在高溫高壓條件下來合成NH3，這一過程占人類每年消耗的全部能源的1.4%左右，同時產生大量的CO2溫室氣體。因此，為了尋求較溫和條件下人工合成NH3新技術，科研人員進行了大量的研究，然而，N2轉化為NH3仍是一個難以實現的科學和技術問題。迄今為止，貴金屬、非貴金屬和不含金屬成分的碳基材料已經被廣泛發展和研究，作為電催化劑展示出巨大的電催化固氮潛勢。相比較，不含金屬成分的碳基固氮電催化劑製備過程簡單，成本低，可從豐富的生物質資源中獲取，已經成為理想的高效固氮電催化劑材料。然而，生物質轉化的電催化劑材料通常包含天然摻雜的氮元素，這些摻雜的氮元素含量、類型在電催化固氮（氮還原，NRR）過程中的影響及其固氮機制都亟需澄清和解決。

為此，該課題選擇豐富、廉價、可再生的、含天然氮元素的苜蓿作為原材料，通過碳酸鈣和醋酸鉀輔助活化熱解的方法製備出具有多級孔結構的氮摻雜碳材料(其中氮的主要摻雜形式為吡啶氮)，並通過調節不同的熱解溫度獲得了不同吡啶氮含量的碳材料。研究表明，吡啶氮不僅在N2還原轉化為NH3過程中起重要作用，而且它本身也貢獻了一部分NH3形成，即摻雜的吡啶氮通過加氫形成NH3分子，在石墨碳上產生N空位，進而對N2分子進行吸附和活化。該研究也進一步通過理論計算、同步輻射、同位素標記實驗對以上結論進行了深入揭示和證明。研究結果表明，熱解溫度為500°C條件下製備的吡啶氮碳材料（吡啶氮的含量：6.35 %；比表面：629.8 m2g-1）電催化固氮性能最佳，在0.005 M H2SO4電解質溶液中，在-0.4 V（相較於標準氫電極）條件下，其合成氨產率為1.31 mmol h-1g-1，法拉第效率為9.98%，擁有高的長期應用穩定性，表明生物質衍生的氮摻雜多孔碳材料在電催化固氮方面具有很好的應用前景。同時，由於所製備的氮摻雜碳材料也具有優異的氧還原反應(ORR)和氧析出(OER)性能，以其作為陰極催化劑構建的金屬鋅-空電池可輸出電壓~1.35V，基於此，將金屬鋅-空電池與固氮體系有機整合，利用鋅-空電池供電實現了高效固氮應用(如圖所示)。此研究工作為將來能源領域固氮技術的實際應用提供了重要的理論和實驗依據。

該項工作得到國家自然科學基金和中科院創新研究團隊國際合作項目的資助。

圖：(a-d) 苜蓿熱解轉化的氮摻雜碳材料及其電鏡表徵和組成成分分析；(e) 電催化產NH3性能及其法拉第效率；(f) NPC-500 組裝的鋅-空氣電池的電壓-時間曲線 (插圖為NPC-500組裝的鋅-空氣電池供電並作為催化劑固氮的示意圖)。

來源：中國科學院化學研究所

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