硝酸与氨电合成新途径

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Credit: ©《中国科学》杂志社

在含氮化合物中，硝酸和氨是两种重要的工业化学品。目前，全球每年对硝酸和氨的需求量是巨大的，它们的工业合成方法分别是奥斯特瓦尔德法和哈伯-博施法。这两种方法毫无疑问为人类文明的发展做出了巨大贡献，但不可否认的是，传统工业合成模式下高耗能、高排放的集中式生产方式会进一步加重全球能源和环境危机。因此，开发新型的合成路线是很有意义和必要的。

分布式能源利用，可减少化学品在运输途径中对化石燃料的大量消耗，实现分布式能源下绿色合成硝酸和氨，可以有效推动人类生产和地球资源的合理化应用。目前的固氮研究主要集中在氮气还原合成氨。然而，这不仅要考虑到空气分离获得氮气的能量消耗，也要克服与其竞争的产氢反应所带来的低法拉第效率。最近，天津大学张兵研究团队在此方面取得了重要进展，在《国家科学评论》（National Science Review，NSR）发表研究论文“Electrochemical Synthesis of Nitric Acid from Air and Ammonia through Waste Utilization”（https://doi.org/10.1093/nsr/nwz019），他们提出两种新型分布式固氮策略：

（1）空气电催化氧化合成硝酸。利用空气中的氮气为氮源，选用铂片作为电化学氧化制备硝酸的模型电催化材料，在+2.19 V（相对标准氢电极，下同）电压下将氮气氧化为硝酸，其法拉第效率为1.23%。

（2）硝酸根电还原氢化合成氨。利用四氧化三钴纳米棒阵列作为阴极电催化材料，实现硝酸根还原氢化来合成氨，在-0.65 V电压下氨选择性可达到33.6%，3小时测试产率为0.854 mmol h-1 cm-2。

结合同位素标记实验，证明了产物硝酸和氨中的氮来源于氮气和硝酸根，并通过对氮气氧化反应的理论计算，共同证实了该反应的路径及可行性。值得指出的是，策略（2）所用的硝酸盐可以来自硝酸根废水，还可以来自策略（1）中空气氧化合成的硝酸。

研究者所提出的空气氧化合成硝酸和硝酸根还原合成氨的策略，为硝酸和氨绿色合成提供了新途径，有望引领固氮研究的新热潮。

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