近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所氫能與先進(jìn)材料研究部研究員陳萍受邀與多位國際同行，包括麻省理工學(xué)院Yang Shao-Horn教授、丹麥技術(shù)大學(xué)Ib Chorkendorff教授、倫敦帝國理工學(xué)院Ifan E. L. Stephens教授、佐治亞理工學(xué)院Andrew J. Medford教授等，共同撰寫了“氮氣的還原與氧化方法”的導(dǎo)論（Primer）文章，對氮氣的還原與氧化領(lǐng)域的研究技術(shù)和方法進(jìn)行論述。
用于N2的還原與氧化的通用實驗方案
氮是所有生命形式所必需的元素之一。然而氮氣分子極為惰性，其還原為氨或氧化為氮氧化物皆需要克服較大的動力學(xué)阻力。目前氮氣的活化轉(zhuǎn)化主要依賴以Haber-Bosch工藝為主導(dǎo)的工業(yè)合成氨過程，該過程反應(yīng)條件苛刻、耗能高、CO2排放量大，因此亟需升級換代。近年來，以可再生能源驅(qū)動的綠色N2活化轉(zhuǎn)化方式，即低壓低溫?zé)岽呋铣砂?、（光）電催化氮還原和氮氧化等受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。這些研究目前存在很大的挑戰(zhàn)性，尤其是（光）電催化合成氨反應(yīng)中，NH3的產(chǎn)量和選擇性均較低，這使得產(chǎn)物的定量分析較為困難，文獻(xiàn)報道的結(jié)果往往存在一定的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性的問題。因此，建立一套嚴(yán)格的實驗方法十分必要。
本文中，作者首先回顧了N2活化轉(zhuǎn)化的發(fā)展歷史，并結(jié)合理論計算對其在熱/電/光等驅(qū)動下的還原/氧化過程進(jìn)行分析；隨后，根據(jù)不同的N2活化轉(zhuǎn)化方式，提出了一套分步式實驗指導(dǎo)方案，詳細(xì)介紹了實驗裝置、產(chǎn)物的檢測方法、可能的污染物來源、催化劑的性能評價、實驗結(jié)果的分析、理論計算方法等；根據(jù)此指導(dǎo)方案，對文獻(xiàn)中報道的結(jié)果進(jìn)行比較與分析。作者重點討論了此研究領(lǐng)域容易出現(xiàn)的錯誤以及相應(yīng)解決方案，給出了提高實驗可重復(fù)性的方法，以及降低實驗成本的策略。文章提出，N2的活化轉(zhuǎn)化這一重要的研究領(lǐng)域需要更嚴(yán)格的實驗方法與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)避假陽性實驗結(jié)果，從而確保研究方向的正確性，為未來新技術(shù)的建立打下基礎(chǔ)。
該導(dǎo)論文章以 “Methods for nitrogen activation by reduction and oxidation”為題，于近日發(fā)表在《自然綜述：方法導(dǎo)論》（Nature Reviews Methods Primers）上，同期還配發(fā)了導(dǎo)論總覽（PrimeView）的圖形化總結(jié)。大連化物所2014級博士研究生張西倫承擔(dān)了該文章中關(guān)于熱催化合成氨實驗技術(shù)與分析方法的撰寫，對近期研發(fā)的新型催化劑的性能進(jìn)行了總結(jié)與分析。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委科學(xué)中心項目的資助。
