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研究实现1000小时工业级电流密度制氨
2025年12月11日 16:15:03
来源：化工仪器网 作者：杨 点击量：4556
近日，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员包信和团队在电化学合成氨研究中取得新进展。
氨在现代社会中扮演着不可替代的角色。农业领域，全球约80%的氨被用于生产化肥，支撑着世界粮食生产系统，直接影响着全球粮食安全。电化学合成氨利用可再生能源直接将氮或硝酸盐转化为氨，理论上具有反应条件温和、零碳排放的优势。然而该技术长期面临反应动力学缓慢和析氢反应竞争两大挑战，导致效率和选择性难以提升。
研究表明，电催化氮还原技术(NRR)的氨生成速率通常低于10⁻⁶ mol cm⁻² h⁻¹，选择性也往往不足30%，远未达到工业化应用的要求。这些问题成为制约电化学合成氨技术发展的主要瓶颈。
近日，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员包信和团队在电化学合成氨研究中取得新进展。研究团队通过电化学原位重构策略，构建了高效电化学还原硝酸盐合成氨的铜-氢化钯(Cu–PdHx)界面活性位点，实现了膜电极电解器件中1000小时工业级电流密度制氨，并开展了合成氨电堆放大示范。
团队研制了一种高性能的铜/钯(CuPd)催化剂，在电化学反应条件下原位形成具有高活性的Cu-PdHx界面位点。这种独特的界面结构通过优化局部电子环境，解决了合成氨反应中的关键难题。实验表明，Cu-PdHx界面处氢物种的重新分布有效调节了界面活性位点的局部电子结构，从而优化了硝酸根的吸附和氨的脱附过程。
理论计算进一步揭示了其高效催化机理，通过创造更有利的反应途径，显著提高了合成氨的本征催化活性。这种基于界面工程的创新策略为高效电催化剂的设计提供了新思路。
研究团队将该催化剂集成到碱性膜电解器中，获得了令人瞩目的性能指标。在总电流密度达到5 A cm⁻²时，氨的法拉第效率达到85.3%，氨产率达到19.9 mmol h⁻¹ cm⁻²，全电池电压为2.56 V。更为重要的是，该体系在2.0 A cm⁻²电流密度下实现了1000小时的稳定运行，展现了卓越的耐久性。这一稳定性指标是电化学合成氨技术迈向实际应用的关键突破。
研究团队进一步开展了规模化示范，研制了5个串联的电极面积为100 cm²的膜电极电解电堆。在电流为500 A时，氨生成速率达到8.7 mol h⁻¹，并可在100 A电流下以1.6 mol h⁻¹的速率连续产氨100小时。这一放大实验验证了该技术的工业应用潜力。
相关成果Copper–palladium hydride interfaces promote electrochemical ammonia synthesis于近日发表在《自然-合成》( nature synthesis)。
参考来源：中国科学报
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