清華新聞網(wǎng)3月29日電 近日，化學(xué)工程系王保國(guó)團(tuán)隊(duì)在雙極膜反應(yīng)器用于電化學(xué)合成氨領(lǐng)域取得重要原創(chuàng)性成果。通過(guò)膜內(nèi)界面設(shè)計(jì)，制備出含有“榫卯”結(jié)構(gòu)的界面互鎖型雙極膜，實(shí)現(xiàn)了雙極膜高效解離水；在原位生成酸堿環(huán)境中，消除了硝酸根還原過(guò)程中離子遷移不平衡問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)合成氨過(guò)程連續(xù)穩(wěn)定化操作。
合成氨是人類(lèi)20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一，作為氮肥的基礎(chǔ)，可大幅度提升谷物產(chǎn)量，提升糧食保障水平。在碳中和時(shí)代，合成氨是綠氫的清潔儲(chǔ)能載體之一，對(duì)于大規(guī)模消納風(fēng)電與光伏所產(chǎn)生的綠氫，實(shí)現(xiàn)便捷儲(chǔ)存與運(yùn)輸有著重要作用。然而，現(xiàn)有Haber-Bosch法合成氨，通常在高溫（400-500°C）、高壓（>10MPa）下進(jìn)行，條件苛刻，能耗巨大。相比之下，綠電支持下的電化學(xué)合成氨條件溫和，裝備簡(jiǎn)單，有望提供新的解決問(wèn)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(chǎn)生的氫離子、氫氧根離子，雖可調(diào)節(jié)酸堿微環(huán)境，但會(huì)導(dǎo)致離子膜結(jié)構(gòu)或性能劣化。研究團(tuán)隊(duì)借鑒我國(guó)傳統(tǒng)的“榫卯”工藝原理，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了具有互鎖結(jié)構(gòu)中間層的雙極膜（圖1），既增加水解離位點(diǎn)，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(yīng)，達(dá)到“自鎖緊”效果，提升雙極膜穩(wěn)定性（圖2）。利用雙極膜反應(yīng)器進(jìn)行電化學(xué)合成氨，在1000 mA cm-2電流密度下，穩(wěn)定電解超過(guò)100小時(shí)，將濃度為2000ppm硝酸根廢水，以86.2%法拉第效率轉(zhuǎn)化為氨，對(duì)應(yīng)產(chǎn)率68.4mg h-1cm-2，顯著提升了電化學(xué)合成氨的生產(chǎn)強(qiáng)度。
圖1.“榫卯”結(jié)構(gòu)物理互鎖中間層雙極膜的設(shè)計(jì)與制備
圖2.物理互鎖結(jié)構(gòu)雙極膜的水解離性能及長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性
以上研究成果以“榫卯結(jié)構(gòu)的雙極膜實(shí)現(xiàn)1000mA.cm-2下的連續(xù)電化學(xué)合成氨”（Continuous ammonia electrosynthesis using physically interlocked bipolar membrane at 1000?mA?cm?2）為題發(fā)表于3月24日的《自然·通訊》（Nature Communications）上。
清華大學(xué)化學(xué)工程系王保國(guó)教授為該文章通訊作者，化學(xué)工程系2019級(jí)博士生徐子昂為第一作者。研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期開(kāi)展膜分離和電化學(xué)工程的交叉領(lǐng)域科學(xué)研究，揭示電化學(xué)能源材料“化學(xué)組成-物理結(jié)構(gòu)-器件性能”之間的構(gòu)效關(guān)系，發(fā)展電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能過(guò)程的材料、裝備與基礎(chǔ)理論。相關(guān)研究成果先后發(fā)表在《先進(jìn)材料》《能源環(huán)境科學(xué)》《化學(xué)工程雜志》等國(guó)際知名期刊，技術(shù)成果逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-37273-7
供稿：化工系
題圖設(shè)計(jì)：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
