近日,化學工程系王保國團隊在雙極膜反應器用于電化學合成氨領(lǐng)域取得重要原創(chuàng)性成果.通過膜內(nèi)界面設(shè)計,制備出含有“榫卯”結(jié)構(gòu)的界面互鎖型雙極膜,實現(xiàn)了雙極膜高效解離水;在原位生成酸堿環(huán)境中,消除了硝酸根還原過程中離子遷移不平衡問題,實現(xiàn)了電化學合成氨過程連續(xù)穩(wěn)定化操作.

合成氨是人類20世紀最重要的發(fā)明之一,作為氮肥的基礎(chǔ),可大幅度提升谷物產(chǎn)量,提升糧食保障水平.在碳中和時代,合成氨是綠氫的清潔儲能載體之一,對于大規(guī)模消納風電與光伏所產(chǎn)生的綠氫,實現(xiàn)便捷儲存與運輸有著重要作用.然而,現(xiàn)有Haber-Bosch法合成氨,通常在高溫(400～500 ℃)、高壓(>10 MPa)下進行,條件苛刻,能耗巨大.相比之下,綠電支持下的電化學合成氨條件溫和,裝備簡單,有望提供新的解決問題的思路.

雙極膜利用靜電排斥原理形成離子選擇性.原位產(chǎn)生的氫離子、氫氧根離子,雖可調(diào)節(jié)酸堿微環(huán)境,但會導致離子膜結(jié)構(gòu)或性能劣化.研究團隊借鑒我國傳統(tǒng)的“榫卯”工藝原理,創(chuàng)新性設(shè)計了具有互鎖結(jié)構(gòu)中間層的雙極膜,既增加水解離位點,提升了雙極膜總水解離速率,又巧妙地利用高分子在水中的“自溶脹”效應,達到“自鎖緊”效果,提升雙極膜穩(wěn)定性.利用雙極膜反應器進行電化學合成氨,在1 000 mA/cm2電流密度下,穩(wěn)定電解超過100 h,將濃度為2 000 ppm硝酸根廢水,以86.2%法拉第效率轉(zhuǎn)化為氨,對應產(chǎn)率68.4 mg /(h·cm2),顯著提升了電化學合成氨的生產(chǎn)強度.

以上研究成果以“榫卯結(jié)構(gòu)的雙極膜實現(xiàn)1 000 mA/cm2下的連續(xù)電化學合成氨”(Continuous ammonia electrosynthesis using physically interlocked bipolar membrane at 1 000 mA/cm2)為題發(fā)表于3月24日的《自然·通訊》(Nature Communications)上.

論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-37273-7.