清华王保国教授团队《Nat. Commun.》：榫卯结构的双极膜实现1000mA.cm⁻²下的连续电化学合成氨
清华王保国教授团队《Nat. Commun.》：榫卯结构的双极膜实现1000mA.cm⁻²下的连续电化学合成氨
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近日，清华大学化学工程系王保国教授团队在双极膜反应器用于电化学合成氨领域取得重要原创性成果。通过膜内界面设计，制备出含有“榫卯”结构的界面互锁型双极膜，实现了双极膜高效解离水；在原位生成酸碱环境中，消除了硝酸根还原过程中离子迁移不平衡问题，实现了电化学合成氨过程连续稳定化操作。
合成氨是人类20世纪最重要的发明之一，作为氮肥的基础，可大幅度提升谷物产量，提升粮食保障水平。在碳中和时代，合成氨是绿氢的清洁储能载体之一，对于大规模消纳风电与光伏所产生的绿氢，实现便捷储存与运输有着重要作用。然而，现有Haber-Bosch法合成氨，通常在高温（400-500°C）、高压（>10MPa）下进行，条件苛刻，能耗巨大。相比之下，绿电支持下的电化学合成氨条件温和，装备简单，有望提供新的解决问题的思路。
双极膜利用静电排斥原理形成离子选择性。原位产生的氢离子、氢氧根离子，虽可调节酸碱微环境，但会导致离子膜结构或性能劣化。研究团队借鉴我国传统的“榫卯”工艺原理，创新性设计了具有互锁结构中间层的双极膜（图1），既增加水解离位点，提升了双极膜总水解离速率，又巧妙地利用高分子在水中的“自溶胀”效应，达到“自锁紧”效果，提升双极膜稳定性（图2）。利用双极膜反应器进行电化学合成氨，在1000 mA cm -2 电流密度下，稳定电解超过100小时，将浓度为2000ppm硝酸根废水，以86.2%法拉第效率转化为氨，对应产率68.4mg h -1 cm -2 ，显著提升了电化学合成氨的生产强度。
图1.“榫卯”结构物理互锁中间层双极膜的设计与制备
图2.物理互锁结构双极膜的水解离性能及长期使用稳定性
以上研究成果以 Continuous ammonia electrosynthesis using physically interlocked bipolar membrane at 1000 mA cm −2 为题发表于 3月24日的 Nature Communications 上 。
清华大学化学工程系王保国教授为该文章通讯作者，化学工程系2019级博士生徐子昂为第一作者。研究团队长期开展膜分离和电化学工程的交叉领域科学研究，揭示电化学能源材料“化学组成-物理结构-器件性能”之间的构效关系，发展电化学能源转换与储能过程的材料、装备与基础理论。相关研究成果先后发表在《先进材料》《能源环境科学》《化学工程杂志》等国际知名期刊，技术成果逐渐进入产业化应用阶段。
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41467-023-37273-7
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