国家能源集团低碳院在电催化合成氨领域取得重要研究进展

5月21日，国家能源集团低碳院氢能（氨能）技术研究中心在电催化氮气还原合成氨领域取得重要研究进展，开发出高效铁、钒双掺杂三氧化钨纳米催化剂，相关成果发表在化工领域一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal》（影响因子13.3）。

图为铁、钒双掺杂三氧化钨催化氮气还原生成氨流程示意图

氨具有高含氢量、易存储及零碳的特性，可作为清洁能源氢能的载体和可持续燃料。Haber—Bosch法合成氨工艺为近代农业和工业发展作出了巨大贡献，但消耗了全球约2%的能源，亟需绿色低碳转型。电催化氮气还原合成氨作为前沿合成氨技术，可在常温常压下直接以水和氮气为原料合成氨。然而受限于氮气分子中氮、氮三键的高键能以及电催化析氢反应的竞争作用，目前电催化氮气还原合成氨的氨产率和法拉第效率较低。

为提升电催化氮气还原合成氨性能，团队以对氮气具有强吸附选择性的三氧化钨为载体，掺杂低电负性的铁和钒以实现向钨位点的有效转移电子，改善高电负性钨位点电子结构，优化其对氮气的吸附和活化，并加速产物氨脱除。结合密度泛函理论计算、原位电化学质谱和拉曼光谱表征分析，对电催化氮气还原合成氨的反应机理和路径进行了深入分析。研发过程中，低碳院核磁共振分析表征团队创新提出了弛豫试剂与氮去耦技术相结合，实现了电化学催化合成氨反应类型的精准区分及氨含量的快速、准确定量分析。

该研究成功开发铁、钒双掺杂三氧化钨电催化剂并将原位电化学质谱和原位电化学拉曼光谱技术成功应用于电催化氮气还原制氨领域，不仅为相关催化剂的构筑策略和反应机理研究提供了指导，也为推动合成氨产业的绿色低碳发展提供了技术支撑。