【研究成果】從電催化氮還原反應(EC-NRR)到硝酸根還原反應(EC-NtRR)

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  Stella Y.T. Sun (科學推展中心特約編輯)


圖1、元素對NRR的電催化活性之周期表示意圖

瓶頸後的瓶頸,突破更有意義。

「氨」在農、工業的生產、儲存能源和轉換扮演著極為重要的角色,它是一種化工原料,應用範圍從植物肥料、塑料、纖維、化學品和炸藥的生產,乃至紙漿、冰箱、製藥化合物和綠色能源系統等,為因應領域眾多且日益增長的需求量,目前主要靠著傳統的哈伯法(Haber-Bosch process)工藝合成NH3,這種方法需以高溫高壓的狀態才能獲取較高的反應速率(300~550˚C、150~350 atm),除了高耗能、產率低(20%),也需付出排放大量溫室氣體的代價,為當前地球面臨的能源危機和環境不友善等問題添了一筆原罪。然而,危機即是轉機,科學家們意識到了哈伯法的缺點,轉而尋求條件更溫和且產率更高效的氨製備方法。

近年,電催化氮還原反應(Electrocatalytic Nitrogen Reduction Reaction, EC-NRR)引起了科學家們的興趣,此方法於理論上可在常溫常壓下進行,所需原料水和氮氣的來源廣泛,成本較低且過程無碳排放,看似和藹可親的替代方案出現,使得相關的研究也逐年增加,並於2018年開始成為國際矚目的研究項目之一,不過,這個解套方案並不像想像中完備。電催化技術雖然可行,但常溫常壓下,N≡N三鍵穩定性極高,法拉第效率(FE)低並難以提高,且氮氣的吸附緩慢,雖然在熱力學上產生氨氣是自發反應,但在動力學上電催化氮還原產氨具有相當大的阻礙;在台灣,踏入這個領域的第一人-東海大學化學系王迪彥副教授表示:針對現行電催化劑對於NRR催化活性較低,未來的應用仍然存在問題,因此,如何解決由於N2分子在催化劑表面上的吸附能力低、材料結構表面對氮氣的不相容性和低穩定性所造成的活性不佳等問題,仍是此領域面臨的一項巨大挑戰。

為突破瓶頸,王副教授攜其團隊將地球豐富元素之奈米結構觸媒用於電化學催化氮氣進行還原反應析氨。其中,觀測紅外光吸收後能了解二硫化鐵於EC-NRR 的機制,以及調控二硫化鉬層狀材料結構能增加EC-NRR 效率,二者均為獨創發現,具有相當的國際領先度,尤其在二硫化鉬層狀催化材料進行NRR反應中,團隊發現了如何控制金屬硫化物二維材料,及其氮氣吸附能的活性位點,透過調控材料結構和控制鋰離子插層於材料結構中之形態,可以使得氮氣分子在材料表面吸附形成特別的六元環(N–Li–S– Mo–S–Mo),弱化N≡N三鍵,可有效提升氮氣電化學還原反應產生氨氣的效率。同時,由於理解N2在水溶液中溶解度極低,NRR析氨產率將受到相當大的限制,因此團隊轉而提出循環經濟的概念,開發新型態電催化觸媒進行硝酸根還原反應(Nitrate Reduction Reaction, NtRR),進而產生具有經濟價值的氨。利用觸媒進行電化學還原係將農業用水中大量溶解的硝酸根(NO3)還原析氨,其法拉第效率可以達到97%,比以往的NRR的產率高出許多。

王副教授與其團隊的研究成果刊載於Small及JMCA期刊上,並另獲邀為Small期刊撰寫了一篇《周期性元素電催化氮還原的探索與研究》評論以作為學習了解NRR的基本手冊、NRR的最新進展以及進階電催化劑系統設計和開發。此研究領域新穎、同時具備學術價值以及其實際應用層面帶來的經濟價值,榮獲本屆由中研院頒布的「年輕學者研究成果獎-數理科學組」,為化學類前瞻研究開闢了一片新的疆土,期許能在不久的未來引領新血再為台灣添上一筆亮眼的佳績。

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