中國(guó)科學(xué)院金屬研究所開發(fā)新型鈷鐵合金催化劑實(shí)現(xiàn)高效綠色制氨

近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所劉崗科研團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》發(fā)表*新成果，他們開發(fā)的鈷鐵合金催化劑在中性硝酸鹽廢水中實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”，將硝酸鹽高效轉(zhuǎn)化為氨，為綠色合成氨開辟了新道路。

氨不僅是重要化工原料的關(guān)鍵化學(xué)品，更是清潔能源的潛力載體。不過(guò)，傳統(tǒng)合成氨工藝依賴具有百年歷史的“哈伯法”，會(huì)每年消耗全球約2%的電力并產(chǎn)生大量碳排放。

科學(xué)家們近年來(lái)探索的電催化還原硝酸鹽制氨技術(shù)，有望在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)污染治理與資源回收的雙重目標(biāo)。其中備受關(guān)注的鐵基催化劑在實(shí)際應(yīng)用中面臨兩大挑戰(zhàn)，一是水分子“拆解工”效率低下，導(dǎo)致活性氫供給不足，阻礙中間產(chǎn)物的加氫轉(zhuǎn)化，顯著制約產(chǎn)氨選擇性；二是在中性廢水環(huán)境中，大量電能被用于生產(chǎn)沒用的氫氣（析氫反應(yīng)），電能利用率低。

科研人員介紹，創(chuàng)新開發(fā)的鈷鐵合金催化劑通過(guò)鈷鐵雙金屬的精密配合，創(chuàng)造出獨(dú)特的“堿性微環(huán)境”。即鐵元素負(fù)責(zé)在催化劑表面形成堿性“反應(yīng)特區(qū)”，打破傳統(tǒng)反應(yīng)對(duì)溶液酸堿度的依賴；鈷元素像高效的“氫原子快遞員”，加速水分解釋放活性氫。這種協(xié)同效應(yīng)使催化劑對(duì)硝酸根的吸附能力提升3倍，成功抑制了析氫副反應(yīng)。

在模擬廢水處理實(shí)驗(yàn)中，鈷鐵合金催化劑在-0.69伏電壓下取得突破性成果，氨合成選擇性接近100%，電能利用率達(dá)98.6%，硝酸鹽去除率為97.8%，顯示該鈷催化劑性能遠(yuǎn)超同類材料。科研團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的膜電極電解裝置在工業(yè)級(jí)電流密度下連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后，仍保持96%以上的電能利用率。該研究工作實(shí)現(xiàn)了氨的高效生產(chǎn)與固態(tài)銨鹽的濃縮回收，展現(xiàn)出極高的工程應(yīng)用潛力和工業(yè)價(jià)值。

相關(guān)新聞