化工系王保國團隊在雙極膜與連續電化學合成氨領域取得原創性成果

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域取得重要原創性成果.通過膜內界面設計,制備出含有“榫卯”結構的界面互鎖型雙極膜,實現了雙極膜高效解離水;在原位生成酸堿環境中,消除了硝酸根還原過程中離子遷移不平衡問題,實現了電化學合成氨過程連續穩定化操作.

合成氨是人類20世紀最重要的發明之一,作為氮肥的基礎,可大幅度提升谷物產量,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,對于大規模消納風電與光伏所產生的綠氫,實現便捷儲存與運輸有著重要作用.然而,現有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.原位產生的氫離子、氫氧根離子,雖可調節酸堿微環境,但會導致離子膜結構或性能劣化.研究團隊借鑒我國傳統的“榫卯”工藝原理,創新性設計了具有互鎖結構中間層的雙極膜,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%法拉第效率轉化為氨,對應產率68.4 mg /(h·cm2),顯著提升了電化學合成氨的生產強度.

以上研究成果以“榫卯結構的雙極膜實現1 000 mA/cm2下的連續電化學合成氨”(Continuous ammonia electrosynthesis using physically interlocked bipolar membrane at 1 000 mA/cm2)為題發表于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.