氨在食品生产和工业发展中发挥着重要作用，全球市场规模约为1.75亿公吨，市场价值达670亿美元。同样，它是一种高能量密度载体，使其成为新兴氢经济的关键参与者。
然而，当前氨生产的缺点是，合成严重依赖于哈伯-博施工艺，该工艺耗能大且会导致较高的二氧化碳排放。
然而，由日本东北大学高级材料研究中心(WPI-AIMR)的李浩领导的研究小组专注于硝酸盐(NO3-)向氨(NH3)的电化学转化，揭示了一种可能彻底改变工业实践的过程，同时为开发高效和可持续的催化过程提供新的见解。
研究结果的详细信息于2024年8月9日发表在《先进科学》杂志上。
与需要破坏氮(N2)中强的N=N三键的氮还原反应(NRR)不同，硝酸盐还原(NO3RR)提供了更有效的途径，”李指出。
“硝酸盐的解离能低得多，在水中的溶解度更高，因此更容易用作氨生产的氮源。这不仅提高了工艺效率，还解决了水系统中硝酸盐积累的环境挑战。”
李和他的团队合成了一种球形氧化铜(CuO)催化剂，其特点是小颗粒堆积，富含氧空位。这种催化剂显著提高了氨的产率，在中性电解质中，当电压为-0.80V(相对于可逆氢电极)时，氨的产率达到15.53mgh-1mgcat-1，法拉第效率为90.69%。
研究团队还透露，CuO电极的高催化活性源于电化学还原过程中发生的结构和相变化。
“我们的研究表明，反应过程中CuO向Cu/Cu(OH)2结构的转变是催化剂性能的关键，”WPI-AIMR联合博士生、论文共同作者QiulingJiang说道。
“这种相变不仅增加了活性位点的数量，而且还改善了电极表面的电子转移，提高了硝酸盐还原反应的效率。”
此外，该研究还利用密度泛函理论(DFT)计算进一步了解催化机理。这些计算表明，Cu(OH)2的形成降低了硝酸盐吸附的能垒，从而使该过程在能量上更有利。
此外，发现Cu(OH)2相抑制了竞争性氢析出反应，而Cu(111)晶体表面的存在促进了氢化过程。
“这项研究为电催化氨生产的铜基催化剂的设计提供了新的视角，”李补充道。“通过控制反应条件和了解相变，我们可以优化催化剂的性能，从而有可能实现更高效、更可扩展的氨合成工艺。”
展望未来，该团队计划探索还原过程中影响催化剂相变的因素。通过进一步改进这些催化剂的设计，他们旨在提高催化剂的稳定性、活性和选择性，使可持续氨生产的目标更接近现实。
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