熊宇杰/刘敬祥/邵涛Angew.：钙钛矿氧化物催化空气中NOx还原合成氨！

研究内容

电化学氮氧化物离子还原反应（NO x − RR）显示了在环境条件下生产氨的巨大机会。然而，由于对催化剂的腐蚀作用和竞争性析氢反应，在强酸条件下进行NO x − RR仍然具有挑战性。

中国科学技术大学熊宇杰/刘敬祥/中国科学院电工研究所邵涛证明了在pH为0时，对于NO x − RR，La 1.5 Sr 0.5 Ni 0.5 Fe 0.5 O 4 钙钛矿氧化物是稳定的，在H型电池中，在2 A cm −2 的电流密度下，实现了接近100%的氨法拉第效率。在工业相关的电流密度下，NO x − RR系统在pH为0的膜电极组件（MEA）中显示出稳定的电池电压和法拉第效率>350小时。通过将催化剂集成到具有串联连接的堆叠MEA中，成功地获得了破纪录的2.578 g h −1 NH3生产率。相关工作以“Highly Stable Perovskite Oxides for Electrocatalytic Acidic NOx −Reduction Streamlining Ammonia Synthesis from Air”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1.作者开发了一种超稳定、不含贵金属的La 1.5 Sr 0.5 Ni 0.5 Fe 0.5 O 4 钙钛矿氧化物催化剂，用于NO x − RR，特别是在强酸（pH=0）的严格条件下。该催化剂不仅在H型电池反应器中，在2 A cm −2 的电流密度下，对氨（FE Mammonia ）实现了近100%的极高法拉第效率，而且在强酸性条件下，在膜电极组件（MEA）中连续工作350小时，表现出了显著的稳定性。通过将催化剂组装成堆叠的膜电极组件，创造了NH 3 生产率的新纪录，在强酸条件下达到2.578 g h −1 。。

要点2.通过原位差示电化学质谱（DEMS）和漫反射红外傅立叶变换光谱（DRIFTS）系统地研究了La 1.5 Sr 0.5 Ni 0.5 Fe 0.5 O 4 上NO x − RR的机理，表明Fe和Ni在活化NO x − 分子中的关键作用。此外，催化剂在强酸条件下运行的能力也允许在NO x − RR过程中直接生产铵盐，如NH 4 Cl和NH 4 NO 3 ，从而扩大了其潜在应用。

要点3.作者还展示了NO x − RR应用与上游等离子体NO x 生产系统集成的多功能性。通过全面的技术经济和生命周期评估，确定了在强酸条件下，即使与基于等离子体的NO x 生产系统相结合，NO x − RR也具有很好的潜力，作为对现有Haber-Bosch氨生产工艺的补充。

研究图文

图1.（a）La 1.5 Sr 0.5 Ni 0.5 Fe 0.5 O 4 、La 1.5 Sr 0.5 NiO 4 、La 1.5 Sr 0.5 FeO 4 和LaNi 0.5 Fe 0.5 O 3 的XRD。（b）La 1.5 Sr 0.5 Ni 0.5 Fe 0.5 O 4 、La 1.5 Sr 0.5 NiO 4 和LaNi 0.5 Fe 0.5 O 3 的高分辨率Ni 2p XPS。（d）La 1.5 Sr 0.5 Ni 0.5 Fe 0.5 O 4 的高分辨率TEM。（e）La 1.5 Sr 0.5 Ni 0.5 Fe 0.5 O 4 的能量色散X射线光谱（EDS）图像。（f）大规模合成的La 1.5 Sr 0.5 Ni 0.5 Fe 0.5 O 4 的水性分散体（左）和固体形式（右）的照片。

图2. 电化学性能测试。

图3.（a–c）本工作中使用的具有两个25 cm 2 MEA隔间的堆叠MEA的电解质示意图、照片和流动方向。红线和蓝线分别表示阳极和阴极电解质。（d-f）不同电池电压下的LSV曲线，在10、15和20 A下进行的计时电位测定曲线和相应的NH 3 产率，以及使用堆叠式MEA反应器在1 M HNO 3 中进行的长期稳定性测试。

图4.

文献详情

Highly Stable Perovskite Oxides for Electrocatalytic Acidic NO x − Reduction Streamlining Ammonia Synthesis from Air

Xuecheng Guo, Zhongliao Wang, Yuan Gao, Chao Zhang, Shuai Zhang, Shuaikang Sang, Jun Ma, Shuhui Sun, Dmitry Yu. Murzin, Jingxiang Low, ⁎ Tao Shao, ⁎ Yujie Xiong ⁎

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202410517

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