Традиционный способ производства аммиака, известный как процесс Габера-Боша, остается краеугольным камнем современной промышленности, обеспечивая основу для производства удобрений и многих других химических продуктов. Однако этот процесс, основанный на взаимодействии азота и водорода, сопряжен со значительными энергетическими затратами. Протекающий при высоких температурах (400–500℃) и колоссальном давлении (10–30 МПа), процесс Габера-Боша потребляет 1–2% мировой энергии и несет ответственность примерно за 1% глобальных выбросов углекислого газа. Поиск более экологичных и эффективных методов производства аммиака является насущной задачей для современной науки и промышленности.
В качестве перспективной альтернативы процессу Габера-Боша рассматривается электрокаталитическое восстановление нитратов (NO3−RR). Этот метод предлагает принципиально иной подход, используя нитраты (NO3−), часто присутствующие в сточных водах, в качестве источника азота и воду в качестве источника водорода. Электрокаталитический NO3−RR, движимый возобновляемой энергией, обещает стать низкоуглеродным путем синтеза аммиака, осуществляемым в мягких условиях окружающей среды. Несмотря на значительный потенциал, практическое применение NO3−RR до сих пор сдерживалось недостаточной электрокаталитической активностью и неудовлетворительной долгосрочной стабильностью существующих систем.
Недавно группа исследователей из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук (CAS) под руководством профессоров Гао Дунфэна, Ван Госюна и Бао Синьхэ совершила прорыв в области электрокаталитического синтеза аммиака. Ученые разработали инновационный электрод на основе аморфно-кристаллической двухфазной медной (Cu) пены, продемонстрировавший беспрецедентно высокую производительность и стабильность при электросинтезе аммиака из нитратов (NO3−). Результаты этого исследования опубликованы в авторитетном научном журнале "Nature Communications".
Новый электрод был изготовлен путем термического отжига коммерческой медной пены на воздухе. В результате этого процесса была получена уникальная двухфазная структура, сочетающая в себе аморфные и кристаллические домены меди. Для тестирования электрода исследователи использовали электролизер на щелочной мембранной электродной сборке.
В ходе экспериментов электрод продемонстрировал выдающиеся характеристики. Была достигнута парциальная плотность тока аммиака в 3,33 А/см2 и скорость образования аммиака в 15,5 ммоль/ч/см2 при напряжении на ячейке всего 2,6 В. Электрод также показал исключительную долгосрочную стабильность, демонстрируя стабильное производство аммиака на протяжении более 300 часов непрерывной работы. Фарадеевская эффективность процесса при приложенной плотности тока 1,5 А/см2 составила около 90%.
Ключевым фактором, обеспечившим столь высокую производительность, стала стабильность аморфных доменов меди, сохраняющихся в структуре электрода в процессе реакции. Интегрированный электрод на основе медной пены показал значительно лучшие результаты по сравнению с традиционными порошковыми электродами, что подчеркивает преимущества разработанной конструкции. Важным аспектом нового метода является простота и масштабируемость протоколов изготовления электрода, что открывает перспективы для промышленного внедрения технологии.
Для демонстрации масштабируемости технологии исследователи провели испытания с использованием электрода увеличенного размера, площадью 100 см2. В ходе этих испытаний скорость образования аммиака составила 11,9 г/ч при приложенном токе 160 А. Эти результаты убедительно демонстрируют потенциал разработанной технологии для крупномасштабного производства аммиака.
Профессор Ван Госюн подчеркнул важность полученных результатов, отметив: «Наша работа также подчеркивает важность стабилизации метастабильных аморфных структур для улучшения электрокаталитической реакционной способности и долгосрочной стабильности». Это заявление указывает на более широкий контекст исследования, подчеркивая общую значимость стабилизации аморфных структур в электрокатализе для достижения высоких показателей производительности и стабильности. Разработка этого высокоэффективного и стабильного электрода для электрокаталитического синтеза аммиака из нитратов представляет собой значительный шаг вперед на пути к созданию устойчивых и экологически чистых технологий производства аммиака, потенциально революционизирующих индустрию удобрений и другие отрасли, зависящие от этого важного химического соединения.
Изображение носит иллюстративный характер
В качестве перспективной альтернативы процессу Габера-Боша рассматривается электрокаталитическое восстановление нитратов (NO3−RR). Этот метод предлагает принципиально иной подход, используя нитраты (NO3−), часто присутствующие в сточных водах, в качестве источника азота и воду в качестве источника водорода. Электрокаталитический NO3−RR, движимый возобновляемой энергией, обещает стать низкоуглеродным путем синтеза аммиака, осуществляемым в мягких условиях окружающей среды. Несмотря на значительный потенциал, практическое применение NO3−RR до сих пор сдерживалось недостаточной электрокаталитической активностью и неудовлетворительной долгосрочной стабильностью существующих систем.
Недавно группа исследователей из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук (CAS) под руководством профессоров Гао Дунфэна, Ван Госюна и Бао Синьхэ совершила прорыв в области электрокаталитического синтеза аммиака. Ученые разработали инновационный электрод на основе аморфно-кристаллической двухфазной медной (Cu) пены, продемонстрировавший беспрецедентно высокую производительность и стабильность при электросинтезе аммиака из нитратов (NO3−). Результаты этого исследования опубликованы в авторитетном научном журнале "Nature Communications".
Новый электрод был изготовлен путем термического отжига коммерческой медной пены на воздухе. В результате этого процесса была получена уникальная двухфазная структура, сочетающая в себе аморфные и кристаллические домены меди. Для тестирования электрода исследователи использовали электролизер на щелочной мембранной электродной сборке.
В ходе экспериментов электрод продемонстрировал выдающиеся характеристики. Была достигнута парциальная плотность тока аммиака в 3,33 А/см2 и скорость образования аммиака в 15,5 ммоль/ч/см2 при напряжении на ячейке всего 2,6 В. Электрод также показал исключительную долгосрочную стабильность, демонстрируя стабильное производство аммиака на протяжении более 300 часов непрерывной работы. Фарадеевская эффективность процесса при приложенной плотности тока 1,5 А/см2 составила около 90%.
Ключевым фактором, обеспечившим столь высокую производительность, стала стабильность аморфных доменов меди, сохраняющихся в структуре электрода в процессе реакции. Интегрированный электрод на основе медной пены показал значительно лучшие результаты по сравнению с традиционными порошковыми электродами, что подчеркивает преимущества разработанной конструкции. Важным аспектом нового метода является простота и масштабируемость протоколов изготовления электрода, что открывает перспективы для промышленного внедрения технологии.
Для демонстрации масштабируемости технологии исследователи провели испытания с использованием электрода увеличенного размера, площадью 100 см2. В ходе этих испытаний скорость образования аммиака составила 11,9 г/ч при приложенном токе 160 А. Эти результаты убедительно демонстрируют потенциал разработанной технологии для крупномасштабного производства аммиака.
Профессор Ван Госюн подчеркнул важность полученных результатов, отметив: «Наша работа также подчеркивает важность стабилизации метастабильных аморфных структур для улучшения электрокаталитической реакционной способности и долгосрочной стабильности». Это заявление указывает на более широкий контекст исследования, подчеркивая общую значимость стабилизации аморфных структур в электрокатализе для достижения высоких показателей производительности и стабильности. Разработка этого высокоэффективного и стабильного электрода для электрокаталитического синтеза аммиака из нитратов представляет собой значительный шаг вперед на пути к созданию устойчивых и экологически чистых технологий производства аммиака, потенциально революционизирующих индустрию удобрений и другие отрасли, зависящие от этого важного химического соединения.
