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一氧化氮（NO）作為一種主要的空氣污染物，對(duì)環(huán)境造成多種問題。NO也是一種有前途的反應(yīng)物，可通過還原或氧化生成有價(jià)值的含氮產(chǎn)物，例如氨、硝酸和硝酸銨。目前，哈伯-博世工藝和奧斯特瓦爾德工藝分別廣泛應(yīng)用于氨和硝酸的工業(yè)生產(chǎn)，但是這兩個(gè)過程都消耗大量能源并排放大量二氧化碳和其他污染物。電化學(xué)轉(zhuǎn)換氮物種的近期發(fā)展提供了一種替代解決方案，與CO2還原的協(xié)同耦合為生成氨和有價(jià)值的含氮化合物提供了有希望的策略。迄今為止，大多數(shù)NO電催化轉(zhuǎn)化研究都使用純NO氣體作為反應(yīng)物來產(chǎn)生氨，而各種排放源和廢氣中的NO濃度非常低。此外，NO在水溶液中的低溶解度導(dǎo)致傳質(zhì)效率低，這進(jìn)一步限制了NO的電催化轉(zhuǎn)化。為了克服反應(yīng)界面處的NO傳質(zhì)限制，電極設(shè)計(jì)的配置可以參考使用氣體擴(kuò)散電極（GDE）的氧氣還原反應(yīng)（ORR）和二氧化碳還原反應(yīng)（CO2RR）。然而，低濃度NO氣體的利用仍然是電催化NO轉(zhuǎn)化的一大挑戰(zhàn)。即使使用GDE，也很難將氣相中的NO濃縮到反應(yīng)界面上。MOF具有多孔結(jié)構(gòu)和大表面積，廣泛應(yīng)用于氣體吸附、分離和純化。據(jù)報(bào)道，一些MOF，如UIO-66、HKUST、MOF-74，其中不飽和金屬位點(diǎn)起著關(guān)鍵作用，對(duì)NO的捕獲能力很高。因此，將MOF與GDE結(jié)合可以作為提高低濃度NO電催化轉(zhuǎn)化率的可行策略。韓國能源技術(shù)研究院崔元镕教授團(tuán)隊(duì)提出了一種直接利用稀含NO廢氣生產(chǎn)硝酸銨的NO集成電催化轉(zhuǎn)化方法，該方法在單電池中耦合了NO電還原反應(yīng)（NORR，Eq.1）和電氧化反應(yīng)（NOOR，Eq.2）。為了改善低NO濃度氣流中NO從氣相到電解質(zhì)的傳質(zhì)，制備了MOFs改性的混合GDE（MOFs-GDE）用于NO捕獲和電轉(zhuǎn)化。一系列 NORR 和NOOR 測(cè)試證實(shí)，在2% NO和20 ppm氣體流量條件下，負(fù)載 Cu（用于 NORR）和 Ni/NiO（用于 NOOR）催化劑的MOFs-GDE 在兩種情況下都比裸 GDE 表現(xiàn)出更高的NH4+和 NO3-生成產(chǎn)率以及更高的法拉第效率 (FE)。NO吸附特性的實(shí)驗(yàn)和理論分析支持NO可以通過MOFs-GDE層從氣相轉(zhuǎn)移到電解質(zhì)中。具有雙功能 MOF-GDE 的集成 NO 電解池為去除 NO 提供了一種有前途的解決方案，同時(shí)生產(chǎn)作為寶貴資源的硝酸銨（Eq.3）。雖然用于去除 NO 的典型 SCR 工藝消耗氨作為試劑，但目前用于去除NO的集成電化學(xué)轉(zhuǎn)化相反產(chǎn)生硝酸銨作為增值產(chǎn)品。這是循環(huán)經(jīng)濟(jì)廢物資源化的典型例子。相關(guān)研究成果2024年8月22日以“Integrated electrocatalytic synthesis of ammonium nitrate from dilute NO gas on metal organic frameworks-modified gas diffusion electrodes”為題發(fā)表在Nature communications上。MOFs修飾的氣體擴(kuò)散電極（MOFs-GDE）：通過在氣體擴(kuò)散電極上修飾金屬有機(jī)框架（MOFs），增強(qiáng)了對(duì)低濃度NO氣體的捕獲能力，從而提高了電催化轉(zhuǎn)化效率。集成電催化單元設(shè)計(jì)：開發(fā)了一個(gè)集成的電催化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在單一單元內(nèi)同時(shí)進(jìn)行NO的電還原反應(yīng)（NORR）和電氧化反應(yīng)（NOOR），分別在陰極和陽極產(chǎn)生NH4+和NO3-。高NH4+和NO3-產(chǎn)量：使用修飾過的MOFs-GDE，實(shí)現(xiàn)了在低濃度NO條件下更高的NH4+和NO3-的生成率，以及更高的法拉第效率。
圖1.MOFs 改進(jìn)的 GDEs 制備和表征方案
圖2.電池配置和 NORR 性能
圖3.NO 捕獲方案和吸附特性
表 1.2% NO 和 20 ppm
NO氣流中的NO傳輸通量和NO傳輸效率
圖4.陽極催化劑的表征
圖5.電池配置和NOOR性能
圖6.集成電池配置和性能
圖 7.NO利用效率本研究介紹了一種電化學(xué)方法，從稀含氮?dú)怏w中生產(chǎn)NH4+、NO3-和NH4NO3作為有價(jià)值的產(chǎn)品。由于廢氣中NO濃度低，在水中溶解度低，NO轉(zhuǎn)化效率受到傳質(zhì)緩慢的限制。為了提高NO的利用效率，設(shè)計(jì)了一種混合結(jié)構(gòu)的GDE，可以同時(shí)進(jìn)行NO的電還原和電氧化。該混合電極具有NO吸附MOF層和催化劑層。在電催化過程中，廢氣中的NO最初被MOF吸附層捕獲，然后擴(kuò)散到催化劑層，在那里NO可以被還原為NH4+或氧化為NO3-。在20ppm的NO氣流下，MOF改性GDE上NH4+（NORR）和NO3-（NOOR）的產(chǎn)生量約為裸GDE的兩倍。一系列實(shí)驗(yàn)表征和理論計(jì)算進(jìn)一步證實(shí)了MOF改性GDE對(duì)NO電轉(zhuǎn)換效率的提高。MOF顯示出從低濃度氣體中吸附NO的顯著能力。重要的是，MOF和Cu催化劑之間的NO吸附能梯度有助于將吸附的NO從MOF層轉(zhuǎn)移到催化層，從而提高工藝效率。開發(fā)了一種結(jié)合NORR和NOOR的集成NO電催化電池，用于從稀含NO氣體中聯(lián)合生產(chǎn)硝酸銨。經(jīng)過濃縮分離和蒸發(fā)結(jié)晶步驟后，可以在進(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用中獲得固體NH4NO3。這為傳統(tǒng)生產(chǎn)方法提供了一種有前景的替代方案，可以減少能源消耗和碳排放。在測(cè)試的各種電池設(shè)置中，具有單一氣體管線配置的單室電池在NH4NO3生產(chǎn)產(chǎn)量和NO利用效率方面表現(xiàn)出卓越的性能。這種創(chuàng)新方法為回收含NO廢氣帶來了巨大的希望。此外，MOF改性的GDE為捕獲稀釋的NO氣體并隨后實(shí)現(xiàn)廢物轉(zhuǎn)化為資源提供了一種可持續(xù)的解決方案。GDE中的MOF吸附層應(yīng)通過電催化轉(zhuǎn)化過程促進(jìn)廢氣和污染空氣中特定氣體成分（如NO、CO2）的直接利用。這項(xiàng)技術(shù)有可能成為從廢氣中回收資源的寶貴工具，有助于實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。10.1038/s41467-024-51256-2鋰電聯(lián)盟會(huì)長向各大團(tuán)隊(duì)誠心約稿，課題組最新成果、方向總結(jié)、推廣等皆可投稿，請(qǐng)聯(lián)系：郵箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。鋰電池自放電測(cè)量方法：靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量法！
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