氧缺陷三氧化钨纳米线阵列高效电催化合成氨

曹茂启，龙成梅，孙赛兰，徐 平，吴大旺

（黔南民族师范学院化学化工学院，贵州都匀558000）

氨对食品、化工和能源有着重大影响［1-3］，有效激活惰性 N2合成氨具有重要的意义［4］。 用氮气生产氨是化学领域引人瞩目的重要课题之一。 由于N2分子最低未占分子轨道（LUMO）与最高占据分子轨道（HOMO） 的能级差高达 10.82 eV，N2分子很难被高效活化［5］。 20 世纪初，哈伯-博施研发了一种由大气中的氮制氨的方法（哈伯-博施法），从而有效提高了合成氨产量。 虽然哈伯-博施法合成氨（N2+H2⇌NH3）是一个热力学上的放热过程，但为了使这个反应向有利于氨的方向进行， 需要高达400～500 ℃的反应温度和 10～30 MPa 的压力。 哈伯-博施法合成氨的过程能耗较大， 同时还会产生大量的温室气体CO2。 因此，氮合成氨的过程需要向高性能、低成本和环保的方向创新发展， 这对基础科学和工程领域都提出了严峻的挑战［6］。

近年来，常温、常压下电催化合成氨引起了人们强烈的研究兴趣，并取得了较大的进展［7］，这不仅适用于目前的肥料工业， 而且也适用于先进的能源系统［8］。 液氨有着高达 4.32（kW·h）/L 的能量密度和便利的运输性，是一种理想的能源载体。利用清洁能源（风能、太阳能、水能等）产生的电能在常温、常压条件下将N2在水溶液中高效电化学还原合成氨具有重要的现实和理论意义［9］。与能耗较高的传统哈伯-博施工艺相比，这种电化学N2还原合成氨工艺具有可持续性的优点。然而，由于N≡N 键很强的惰性，其与固态催化剂之间的结合较弱， 导致电化学合成氨的效率普遍偏低。……