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Nature Catalysis非水溶剂气体扩散电极:实现从氮气和水分解氢中快速合成氨

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Published: 04 May 2020

麻省理工学院


导读

非水溶剂中的电化学转化对于合成和储能应用非常重要。非极性气态反应物(例如氮气和氢气)在非水溶剂中的使用受其低溶解度和缓慢运输的限制。传统的气体扩散电极通过促进电极附近的有效气液接触来改善水电解质中气态物质的传输。但由于在液相和碳纤维载体之间缺乏疏水斥力,因此它们在非水溶剂中的使用受到阻碍。
在此,麻省理工学院的Karthish Manthiram等人报道了一种非水气体扩散电极其可用于快速合成氨,该工作发表在国际知名期刊Nature Catalysis上,Nikifar Lazouski 为文章第一作者。

本文中作者报道了一种新颖的方法,通过使用不锈钢布(SSC)作为沉积催化剂的载体,将氨合成与氢氧化进行配对,以克服四氢呋喃的传质限制。使用锂介导的方法获得的NH3的偏电流密度为8.8±1.4 mA cm-2,法拉第效率为35±6%。在两种非水溶剂中,H2氧化其电流密度可达25 mA cm-2,并且具有近乎统一的法拉第效率。


关键词

化学工程  电催化  能源


背景简介

1.   电化学合成氮简介

化学物质的电化学合成是传统热化学方法的一个有吸引力的替代方法。在某些反应中,电势可以作为热力学驱动力,而不是高温和高压,这可能允许在更温和的条件下,以模块化的方式进行操作。
氨(NH3)的生产是可以从电化学操作中受益的反应的一个例子。NH3目前主要通过Haber–Bosch工艺生产,该工艺需要在高温(300–500°C)和高压(200–300bar)下运行,并且需要一台蒸汽重整装置来生产氢气(H2)。
这导致了工艺和生产集中化的高资本成本,这种情况与氨利用的分布式性质很不匹配。生产H2的替代方法(例如,水分解法)可以克服与传统Haber-Bosch工艺相关的一些问题,例如大量的CO2排放和与蒸汽重整相关的高资本成本。

然而,这些方法不能克服对氨合成反应器本身的大规模生产的需求,因为氨合成反应器本身仍必须在高温和高压下运行。由N2和H2O产生氨的电化学过程(甚至利用多个反应器的过程)在标准条件下要求的热力学最小电势为1.17V。电势是一种强大的热力学驱动力,提供了有利于电化学过程的模块化和小规模运行的温和条件。 


2.   研究挑战

尽管电化学在合成应用中具有吸引力,但必须克服一些挑战才能有效扩大该技术的规模。对于那些对能量储存和某些合成应用非常重要的还原化学来说,反作用通常是由活性金属制成的溶剂或牺牲阳极的氧化。在水性体系中,溶剂氧化是允许的,并且经常是需要的。然而,有机溶剂或牺牲阳极的氧化大大降低了反应的原子经济性,并使利用这些反应的工艺难以连续运行。
对于电催化合成氨,一种以高速率和法拉第效率产氨的方法是锂介导法,它涉及到锂金属与氮反应形成氮化锂(在室温可自发反应),氮化锂被质子化生成氨和锂盐,最后将锂盐被电化学还原为金属锂(催化循环)。尽管这些方法显示出高的法拉第效率,但它们并不直接适合于连续氨生产(尽管已经提出了将旋转反应器用于拟连续工艺的方法)。在这里,通常情况下,可以利用四氢呋喃(THF)电解液中的锂盐,以及乙醇作为质子源,从而实现这三段反应同时进行。虽然在这个系统中很好地描述了阴极反应,但阳极反应定义不清,这可能与THF氧化有关。溶剂分解使该方法无法成为生产氨的实用方法。

对于阳极反应,通过在阳极上氧化H2来产生具有受控热力学活性的质子避免了上述问题。而且对于使用牺牲阳极的合成应用,氢氧化可用作可再生阳极反应,从而可以连续生产有用的化学物质。然而,氢在非水溶剂中的氧化速率受到氢化溶解度的限制,其相应的扩散限制氧化速率仍然过低,类似的扩散限制也适用于其他气体,如氮气。


3.   气体扩散电极

克服电化学反应中气态反应物扩散限制的一种方法是使用气体扩散电极(GDEs),其中气体,电解质和催化剂之间存在紧密接触。这种接触最大限度地减少了气体分子通过电解质在催化剂上发生反应的距离,从而实现了比水电解质中的淹没电极更高的扩散率。GDEs已被用于氢燃料电池和还原CO和CO2。
在前述的应用中,电解质通常是水溶液或水饱和的聚合物材料,而GDE载体被疏水化以控制润湿。电解质和载体之间的疏水相互作用以及载体中的小孔径可防止电解质渗透并浸润到GDE的纤维结构中。
相反,电解质薄层与催化剂接触,反应气体分子必须通过该催化剂扩散。如果电解质的主要成分是非水溶剂,例如THF,则载体与电解质之间的相互作用不再是不利的,这将导致电解质渗透到GDE的纤维结构中,从而有效地淹没了催化剂。然后,气体必须通过溶液中的大距离扩散来进行反应,从而降低了可获得的最大电流密度。

淹没阻碍了标准碳纤维基GDEs与非水电解质的使用,以提高涉及稀溶气体的反应速率。尽管已经报道了克服这些问题的一些方法,但据我们所知,以前没有报道过的GDE能产生有效的气-液接触,从而大大增加了在非水溶剂中进行电合成所需的电流。


核心内容

本文报道了一种新颖的方法,通过使用不锈钢布(SSC)作为沉积催化剂的载体,将氨合成与氢氧化进行配对,以克服四氢呋喃的传质限制。通过不锈钢布上镀铂((Pt/SSCs),在阳极上氧化H=,其电流密度可达25 mA cm-2。此外,通过使用SSC作为基底,在其上原位镀锂金属,可以利用锂介导的方法将N2还原为NH3。其中,NH3的偏电流密度为~8.8 mA cm-2。
该方法可应用于N2和水从分解得到的H2生产NH3。


图3:基于钢布的GDE对HOR和NRR的效率

a. A comparison of the HOR Faradaic efficiencies of Pt/SSCs and Pt/C at different pressure gradients across the GDEs.

b. The effect of a pressure gradient across a Pt/SSC on the HOR Faradaic efficiency at 25 mA cm-2 applied current density is shown.

c. The production rate of ammonia as a function of applied current density on steel cloth cathodes at a pressure gradient of 1 kPa across the steel cloth is shown. Solution phase ammonia is found in the electrolyte whereas gas phase ammonia is found in the acid trap after the cell.

d. The effect of a pressure gradient across a steel cloth cathode on the Faradaic efficiency towards NH3 at 15 mA cm−2 applied current density.


The vertical error bars in a and b represent a combination of uncertainty in HOR quantification and standard deviation between experiments (n≥ 2), whereas in c and d they represent 1σ between multiple replicates of the same experiments (n≥ 2). Horizontal error bars in b and d represent the range of pressure gradient values required for gas flow through the SSCs. Raw data can be found in Supplementary Fig. 22 and Supplementary Tables 2–5. The dashed lines in b and d represent the onset of gas breakthrough in the SSC, which is the Laplace pressure. In all experiments, 7.2 C of charge were passed to measure either the HOR or NRR Faradaic efficiency


文章链接:


Non-aqueous gas diffusion electrodes for rapid ammonia synthesis from nitrogen and water-splitting-derived hydrogen

https://www.nature.com/articles/s41929-020-0455-8


导师简介:


Karthish Manthiram

B.S. Chemical Engineering, Stanford University, 2010

Ph.D. Chemical Engineering, UC Berkeley, 2015

Postdoctoral Research Associate, California Institute of Technology

Karthish Manthiram is an Assistant Professor in Chemical Engineering at MIT. He received his bachelor’s degree in Chemical Engineering from Stanford University and his Ph.D. in Chemical Engineering from UC Berkeley. As a graduate student in Professor Paul Alivisatos’ group, Karthish developed transition-metal oxide hosts for redox-tunable plasmons and nanoparticle electrocatalysts for reducing carbon dioxide. During his postdoctoral research in Professor Robert Grubbs’ lab at Caltech, Karthish developed new anion-exchange ionomers. The Manthiram Lab at MIT is focused on the molecular engineering of electrocatalysts for the synthesis of organic molecules, including pharmaceuticals, fuels, and commodity chemicals, using renewable feedstocks. Karthish’s research has been recognized with several awards, including the NSF CAREER Award, 3M Nontenured Faculty Award, Dan Cubicciotti Award of the Electrochemical Society, and Forbes 30 Under 30 in Science. Karthish’s teaching at MIT has been recognized with the C. Michael Mohr Outstanding Undergraduate Teaching Award in 2018 and the Outstanding Graduate Teaching Award in 2019.

信息来源:https://manthiramlab.com


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