Ammoniak (NH3) wird traditionell durch den energieintensiven Haber-Bosch-Prozess erzeugt, der Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) bei hohen Temperaturen (400–500 ℃) und Druck (10–30 MPa) in NH3 umwandelt. Dieser Prozess verbraucht 1% –2% der globalen Energie und trägt etwa 1% der globalen CO2 -Emissionen bei.
Die elektrokatalytische Nitratreduktionsreaktion (NO3-RR) ist ein erneuerbares Energiebedarf, bei dem Nitrat (NO3–) aus Abwasser als N2-Quelle und Wasser als H2-Quelle verwendet wird. Diese kohlenstoffarme Route bietet eine nachhaltige Lösung für die NH3-Synthese unter milden Bedingungen. Die praktische Anwendung wurde jedoch durch unbefriedigende elektrokatalytische Aktivität und eine schlechte langfristige Stabilität begrenzt.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Gao Dunfeng, Prof. Wang Guoxiong und Prof. Bao Xinhe vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) durch Einführung einer amorphen/kristallinen Dual-Phase-Cu Schaumelektrode mit hoher Leistung, erreichte hochrate und stabile NH3-Elektroynthese von NO3–. Die Studie war veröffentlicht In Naturkommunikation.
Die Forscher stellten die Elektrode durch thermische Tempel für kommerzielle Cu-Schaum in Luft her, wodurch eine einzigartige Dual-Phasen-Struktur erzeugt wurde. Mit einem alkalischen Membranelektrodenanbauelektrolyzer erreichten sie eine nH3 -partielle Stromdichte von 3,33 A/CM2 und eine NH3 -Bildungsrate von 15,5 mmol/h/cm2 bei einer Zellspannung von nur 2,6 V. Die Elektrode hielt eine stabile NH3 -Produktion mit einer Faradaikern -Produktion mit einer Faradaikern -Produktion beibehalten, die mit einer Faradaikern -Produktion aufrechterhalten wurde, mit einer Faradaikernproduktion beibehalten. Effizienz von rund 90% bei einer angewendeten Stromdichte von 1,5 A/cm2 über 300 Stunden.
Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass die während der Reaktion vorhandenen stabilen amorphen Cu -Domänen der Schlüssel zur herausragenden katalytischen Leistung sind. Diese integrierte Cu -Schaumelektrode leistet besser als herkömmliche Leistungselektroden, und die Vorbereitungsprotokolle sind einfach und leicht zu skalieren. In einer Skalierungsdemonstration unter Verwendung einer 100 cm2-Elektrode wurde eine NH3-Bildungsrate von bis zu 11,9 g/h bei einem angelegten Strom von 160 A erreicht.
„Unsere Arbeit unterstreicht auch die Bedeutung der stabilisierenden metastabilen amorphen Strukturen für die Verbesserung der elektrokatalytischen Reaktivität und der langfristigen Stabilität“, sagte Prof. Wang.
Weitere Informationen:
Yi Wang et al., Ammoniakelektrosynthese aus Nitrat unter Verwendung eines stabilen amorphen/kristallinen Dual-Phase-Cu-Katalysators, Naturkommunikation (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-55889-9