在环境条件下合理设计电催化剂和光电催化剂用于氮还原为氨（NH3）
摘要：氨（NH3）作为最重要的化学品和无碳能源载体之一，其全球年产量为百万吨，主要采用传统的高温高压哈柏法工艺生产，消耗大量能量。最近，N2向NH3的电催化和光电催化还原可以在环境条件下使用可再生能源进行，受到了极大的关注。这些电催化和光电催化体系的整体性能很大程度上取决于它们的核心组分催化剂。这一观点首次强调了在环境条件下N2还原为NH3的电催化剂和光电催化剂的合理设计。首先介绍了N2还原反应的催化反应途径的基本理论和相应的材料设计原理。然后，总结了最近开发的电催化剂和光电催化剂，特别强调了它们的物理化学性质和NH3生产性能之间的关系。最后，概述了这一新兴研究领域的机遇，特别是将实验和理论技术相结合以设计用于NH3生产的有效且稳定的催化剂的策略。
关键词：电催化剂； 光电催化剂； 合成氨；
一、文献综述
1简介
氨不仅是一种重要的储能中间体和无碳能量载体1–4，而且对于生产各种化学物质如肥料也是必不可少的。5,6目前，全球每年生产的氨约1.5亿吨，随着世界人口的增长，对氨的需求也不断增加。工业氨的生产仍然是传统的哈柏法工艺，氢气和氮气在催化剂(铁)，高温（500℃）和高压（200-300 atm） 下合成氨。该过程约占世界年能耗的1％。7–10 除了加热和抽吸所需的能量之外， 该过程中使用的高纯度H 主要来自化石燃料中天然气的蒸汽转化而成，该过程产生大量的温室气体。因此，制定NH3 生产的绿色和可持续战略具有重要意义。11–15 因此，制定NH3生产的绿色和可持续战略具有重要意义。电催化和光电催化法被认为是NH3生产的节能和环保生产工艺，因为它们可以在环境条件下使用可再生的太阳能和风能进行。16–19 例如，电解池中氮还原反应（NRR）可以由太阳能电池和风力涡轮机提供动力20–22 ，而光（电）催化NRR可以直接由太阳能驱动。8,23 因此，这两种策略实现N2 和H2O无碳可持续的生产NH3是非常有希望的 。催化剂是电催化和光电催化NRR体系的核心组分。24–30 通过实验和理论路线筛选不同组成和结构的催化剂，迄今为止，设计了一系列电催化剂和光电催化剂，用于在环境条件下生产NH3。31,32 目前，有三种类型的电催化剂，即贵金属，非贵金属基材料和导电聚合物/金属络合物被报导在环境条件下可用于电催化NRR。潜在的电催化剂，包括具有平坦或阶梯表面的过渡金属氮化物，也通过对其表面上可能的中间体的自由能变化的理论研究进行了探索。33 另一方面，迄今为止，包括生物在内的三类光催化剂/无机杂化物，34 仿生硫属元素16 和纯无机半导体17已被制造用于光催化NRR。此外，迄今为止，已报道在环境条件下氢端金刚石35 和黑硅36 是可以将N2 转化为NH3的光电催化剂。
考虑到各种催化剂在电催化和光电（催化）NRR中的重要作用，对这些问题进行及时总结不仅可以促进对这些领域当前进展的了解，同时也对未来NRR催化剂的设计和合成有所启发。尽管最近发表了一些关于电催化NRR的综述，20,37–40 这些综述主要总结了有关电解槽的方面，而在很大程度上忽略了核心电催化剂部分的设计和制造。此外，目前对光催化NRR仅讨论基于分子的均相光催化剂或特定类型的光催化剂9,41,42 ，但未总结最近开发的基于半导体的光电（催化剂）催化剂。因此，全面介绍目前在NRR的电催化剂和光电催化剂的设计和制备方面取得的成果具有重要的现实意义。
从这个角度出发，总结了在环境条件下NRR的电催化剂和光电催化剂的最新发展。我们首先讨论NRR催化途径背后的基本理论和相应的材料设计原则。然后，调查了按其化学成分分类的电催化剂和光电催化剂，并讨论了它们的理化性质和NRR性能之间的关系。最后，提供了一些结论，并概述了这一新兴领域的机遇。
