湖南大学与合肥光源合作在电催化合成尿素研究中获新进展
时间 : 2020-07-08     
湖南大学化学化工学院王双印课题组首次在常温常压条件下利用电催化还原二氧化碳(CO2)和氮气(N2)合成尿素(CO(NH2)2),与我室刘庆华研究小组合作,利用在合肥光源红外谱学和显微成像线站建立的原位电化学同步辐射红外谱学等技术,通过探测电催化反应过程的关键中间产物,阐明了电催化CO2N2合成尿素的微观过程机理。

在过去一个世纪里,全球约27%的农业生产都依赖于氮肥。尿素(CO(NH2)2)是一种重要的高氮氮肥,发展尿素工业对满足日益增长的粮食需求具有重要意义。尿素通常是由N2+H2→NH3NH3+CO2→CO(NH2)2两个连续的工业过程合成的。这两种反应都在苛刻条件下(150–200 ℃150–250 bar)进行,能量消耗占世界总能耗的2%以上,同时尿素合成消耗了全球约80%NH3。特别是,当前尿素的合成还需要复杂的设备和多周期的合成工艺来提高转化效率。

针对上述挑战,湖南大学王双印课题组发展了一种在水溶液中通过电催化反应生成尿素的新方法,直接将氮气和二氧化碳在水中耦合,在环境条件下合成了尿素。这一过程是用一种负载在TiO2纳米片上的PdCu合金纳米颗粒组成的电催化剂进行的。在流动池中–0.4 V vs. RHE电势下测得尿素的生成速率为3.36 mmol g–1 h–1,相应的法拉第效率为8.92%。原位同步辐射实验表征结合理论计算发现这种耦合反应是通过吸附态的氮气(*N=N*)与二氧化碳还原产物(CO)迁移后发生反应形成C–N键,该反应在热力学与动力学上具有明显优势。

该工作中,固液相界面的化学反应的原位探测是个挑战,合肥光源“红外谱学和显微成像线站”(BL01B)发展的高亮度红外显微谱学技术为解决这个难题提供了重要的平台。我室研究人员利用该平台,建立适合于探测固液相电化学反应的原位同步辐射傅里叶变换红外光谱(SR-FTIR)技术,并利用该技术平台从实验上探测电催化还原CO2N2生成尿素反应过程中在Pd1Cu1/TiO2催化剂表面产生的关键中间产物,通过电势关联的原位同步辐射红外谱测试结果发现N2最先在–0.2 V驱动电势下开始活化并产生-NH-NH2)基团,当驱动电势增加到–0.25 VCO2开始活化并产生COOH基团,随着驱动电势进一步增加到–0.3 V,碳氮发生耦合反应生成尿素,随之在实验上观察到关键基团(C-N)的红外振动峰,揭示了其电催化反应过程机理。

相关研究成果以“Coupling Nand CO2 in H2O to synthesize urea under ambient conditions”为题于2020615日在《Nature Chemistry》期刊上在线发表。


成果链接:https://www.nature.com/articles/s41557-020-0481-9