非貴金屬催化劑在硝酸鹽的電化學(xué)還原中的研究進展

張瀟棟，羅文杰，江穎洋，霍文靜

（溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江省碳材料技術(shù)研究重點實驗室，浙江 溫州 325027）

氨作為軍事、化肥和工業(yè)等領(lǐng)域中重要的化工原料，是全球產(chǎn)量第二的商用化學(xué)品[1]。在軍事和化工領(lǐng)域，炸藥、塑料、樹脂、纖維等產(chǎn)品都需要氨作為原料；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，合成氨常用于尿素、硝酸銨、磷酸銨、無水氨等的制造。此外，由于氨在液態(tài)氣化時會吸收周圍環(huán)境的大量熱量，因此液氨是常見的制冷劑。與其他能量載體相比，氨含有高達17.6 wt%的氫，是理想的H2儲存介質(zhì)。同時，與壓縮氫相比，氨的儲存能耗明顯更低，運輸成本更經(jīng)濟[2]。更重要的一點，氨是目前為止唯一的一種無碳能源載體，在最終分解時不會排放CO2。近幾十年來，隨著科技的進步，現(xiàn)代社會對能源的需求量與日俱增。伴隨化石燃料的燃燒，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，空氣污染、霧霾、全球變暖等現(xiàn)象愈加明顯。由于煤、石油等礦石燃料的儲量是有限的，因此在未來的能源經(jīng)濟中，氨很有可能取代氫，成為新型的能源載體[3]。

到目前為止，全球每年的氨產(chǎn)量超過1.5億t，其中90%的氨采用Haber-Bosch法（H-B工藝）制備。其中，NH3是在鐵基或釕基催化劑的催化作用下，基于N2和H2之間的化學(xué)反應(yīng)（N2+3H2→2NH3）生成的。該反應(yīng)的動力學(xué)緩慢，因此需要高溫(＞500℃)來加速反應(yīng)，但高溫會導(dǎo)致生成的NH3分解。根據(jù)勒夏特列原理，施加高壓的反應(yīng)條件(＞30MPa)可以減少NH3的分解。由此可見，H-B工藝需要高溫高壓的反應(yīng)條件，這意味著大量化石能源的消耗。H-B工藝的能耗占到每年全球能源總消耗的1%～2%，且每生產(chǎn)1kg的NH3會產(chǎn)生2.16kg的溫室氣體，每年該工藝產(chǎn)生的 CO2占到全球總排放量的1.5%。……