等離子體輔助的集成/級聯(lián)N₂氧化和電催化NO_x^–(其中x = 2，3)還原反應(yīng)(pNOR-eNO_x^–RR)對于氨(NH₃)的可再生合成具有很大的前景。但等離子體對N₂和O₂分子的活化作用和以及通過eNO_x^–RR合成NH₃的機(jī)理尚不清楚，這在很大程度上限制了該工藝大規(guī)模部署。基于此，大連理工大學(xué)邱介山和于暢等報(bào)道了一種等離子體級聯(lián)pNOR-eNO_x^–RR集成系統(tǒng)，它將等離子體技術(shù)的優(yōu)勢與電化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，用于使用N₂、O₂和H₂O分子進(jìn)行NH₃電合成。

研究人員使用銅(Cu)納米顆粒作為代表性電催化劑，系統(tǒng)地研究了N₂和O₂分子的等離子體激活和重組過程，并且解耦了eNO_x^–RR在微觀水平上的機(jī)理。結(jié)果表明，pNOR系統(tǒng)中產(chǎn)生的NO_x濃度與火花放電長度以及N₂和O₂進(jìn)料氣體的體積比呈現(xiàn)出函數(shù)關(guān)系。通過原位紅外光譜和拉曼光譜監(jiān)測到NO_x^–的連續(xù)質(zhì)子化過程和eNO_x^–RR的關(guān)鍵含N中間體(例如-NH₂)，并進(jìn)一步揭示了銅納米粒子在eNO_x^–RR過程中的動態(tài)重建過程。

通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)(放電距離為2.0 cm，進(jìn)料N₂/O₂體積比為1:1)，Cu納米顆粒驅(qū)動的pNOR-eNO_x^–RR系統(tǒng)最終可以實(shí)現(xiàn)約40 nmol s^-1 cm^-2的高NH₃產(chǎn)率和接近90%的法拉第效率。綜上，預(yù)計(jì)這項(xiàng)工作將促進(jìn)pNOR-eNO_x^–RR系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)在環(huán)境條件下直接從空氣和水中綠色電合成NH₃。

Microscopic-Level Insights into the Mechanism of Enhanced NH₃ Synthesis in Plasma-Enabled Cascade N₂ Oxidation-Electroreduction System. Journal of the American Chemical Society, 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c00089