北大在常温常压水相电催化合成氨领域获得突破

北京大学3月6日发布消息称，该校张亚文/严纯华课题组与合作者在常温常压水相电催化合成氨领域获得突破。

目前，工业上广泛采用的Haber-Bosch方法通过高温高压等苛刻条件来促使高纯氢气和氮气在铁基催化剂表面进行反应生成氨，其能量和氢气都来自于化石燃料(如甲烷等)，表现出高能耗、高化石燃料消耗和高二氧化碳排放等缺点。寻找合适的绿色替代方案，在温和条件下实现高效、低能耗、低排放合成氨，成为亟待解决的科学挑战。

电催化氮还原反应提供了一种可持续合成氨的新路径。该反应在常温常压下即可进行，以大量易得的水与氮气(空气)作为反应原料，以可持续能源(太阳能，风能等)产生的电能作为能量来源，即可实现“零排放”合成氨。然而，电化学合成氨技术仍面临重大挑战，其发展严重受制于现有催化剂非常低下的选择性与活性。

北京大学化学与分子工程学院张亚文/严纯华课题组与北京理工大学殷安翔课题组，上海同步辐射光源司锐课题组合作，开创性地利用非贵金属催化剂(铋纳米催化剂)与碱金属(钾离子)助催化剂之间的协同作用，成功增强氮气分子在催化剂表面的吸附与活化，同时抑制析氢副反应，从而突破已有极限，大幅提高电催化合成氨的选择性与反应速率。该方法在常温常压(25摄氏度，1个大气压)下，从水和氮气出发，即可实现高选择性(电子利用率高于66%)和高速率产氨。该方法较目前已有报道有数量级上的提升，为电化学合成氨的实用化提供了可能。

值得一提的是，该催化体系还具有广泛适用性。碱金属的促进作用不仅限于铋催化剂，碱金属的促进作用还适用于一系列常用催化剂(如Pt、Au等)。此外，该催化体系对具有重要能源与环境意义的二氧化碳电催化还原反应同样具有显著的提升作用。本研究为温和条件下利用可持续能源高效合成氨提供了新的途径。