首页|可批量合成的FeNi@纳米多孔碳电催化剂用于高效尿素合成

可批量合成的FeNi@纳米多孔碳电催化剂用于高效尿素合成

扫码查看
尿素在农业、工业合成和医药产品等领域有着广泛的应用.传统的尿素合成通常使用NH3和CO2制得,然而这一过程需要苛刻的条件(150-250 bar,150-200℃)及复杂的设备,且消耗大量的NH3.而NH3的合成是通过Haber-Bosch工艺实现的,会消耗大量化石能源并伴随着大量温室气体的排放.近几十年来,科研工作者致力于利用CO2和含氮小分子(N2,NO2和NO3-)的电催化共还原策略实现尿素合成.其中,由于NO3-的N=O解离能(204 kJ mol-1)相对较低,直接合成尿素的效率更高.此外,利用硝酸盐作为尿素合成的原料,能够缓解水体中硝酸盐积累导致的富营养化问题.因此,在温和条件下电催化耦合CO2和NO3-合成尿素,被认为是一种环境友好的绿色合成策略.尽管非贵金属催化剂已被广泛应用于尿素电催化合成,但合成具有工业前景的电催化剂的大规模生产仍具有挑战性.同时,在利用CO2和NO3-合成尿素的过程中,C-N偶联反应的高势垒仍然限制着其催化效率的提升.本文采用简单浸渍-煅烧法批量合成了以纳米多孔碳为载体的廉价金属FeNi@nC-T复合材料(n代表纳米多孔碳的含量,分别为1,3,5,7,9g;T代表煅烧温度,分别为900,950,1000,1100 ℃),并用于电催化CO2和NO3-高效共还原合成尿素,纳米多孔碳不仅为CO2和NO3-的吸附提供了较大的比表面积,而且促进了 FeNi合金纳米颗粒的均匀分布,使CO2和NO3-的共还原反应分别在Ni及Fe位点上高效进行.实验结果显示,FeNi@7C-1000表现出较好的尿素合成效率,在-1.2 V vs.RHE电压下电解2 h,尿素产率可达1041.33 mmol h-1 gFeNi-1,法拉第效率(FE)为15.56%,显著高于Fe@7C-1000(374.26 mmol h-1 gFe-1,FE 8.00%)和Ni@7C-1000(495.43 mmol h-1 gNi-1,FE 10.75%).此外,FeNi@7C-1000还具备良好的电催化稳定性和可循环利用性.值得一提的是,本研究成功实现了电催化剂(以FeNi@7C-950-S为例)的批量制备(每批次100 g),且催化剂在相同条件下仍能维持高效的尿素电催化性能(1034.42 mmol h-1 gFeNi-1,FE 10.44%)及良好的稳定性.通过系统实验和密度泛函理论计算进一步阐明了 CO2和NO3-还原同时发生在Ni和Fe位点上,且中间产物*CO和*N偶联显著降低了 C-N偶联反应势垒,从而实现了尿素的高效合成.综上所述,本文以降低电催化尿素合成过程中的C-N偶联的能垒为切入点,理性设计出了可批量合成的FeNi@nC-T复合催化体系,为实现高效的电催化合成尿素,缓解能源和环境危机,提供了一种有效策略.
Efficient electrocatalytic urea synthesis from CO2 and nitrate over the scale-up produced FeNi alloy-decorated nanoporous carbon
Electrocatalytic urea synthesis provides a favorable strategy for conventional energy-consuming urea synthesis,but achieving large-scale catalyst synthesis with high catalytic efficiency remains challenging.Herein,we developed a simple method for the preparation of a series of FeNi-alloy-based catalysts,named FeNi@nC-T(n represents the content of nanoporous carbon as 1,3,5,7 or 9 g and T=900,950,1000 or 1100 ℃),for highly performed urea synthesis via NO3 and CO2 co-reduction.The FeNi@7C-1000 achieved a high urea yield of 1041.33 mmol h1 gFeNi-1 with a Faradaic efficiency of 15.56%at-1.2 V vs.RHE.Moreover,the scale-up synthesized FeNi@7C-950-S(over 140 g per batch)was achieved with its high catalytic performance and high stability main-tained.Mechanism investigation illuminated that the Ni and Fe sites catalyze and stabilize the key*CO and*N intermediates and minimize the C-N coupling reaction barriers for highly efficient urea synthesis.

Urea synthesisElectrocatalysisFeNi alloyScale-up synthesisC-N coupling

孙作淑、向雪艳、赵秋平、唐朝、姜诗译、鲁统部、张志明、王白帆、尹华卿

展开 >

天津理工大学材料科学与工程学院,新能源材料与低碳技术研究院,天津 300384

南开大学化学学院,元素有机化学国家重点实验室,天津 300071

尿素合成 电催化 FeNi合金 批量合成 C-N耦合

2024

催化学报
中国化学会 中国科学院大连化学物理研究所

催化学报

CSTPCD
影响因子:1.269
ISSN:0253-9837
年,卷(期):2024.65(10)