在温和条件下实现空气与硝酸的直接电转化！
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HNO 3 作为一种重要的化学结构单元，在工业上是通过奥斯特瓦尔德工艺由氨氧化产生的，该工艺需要 800°C 以上的高温。在该工艺中，进料氨气是通过能源密集型哈伯-博施法进行工业合成的，通常在高温（400 至 500 摄氏度）和高压（20 至 50 兆帕）下运行。
在温和的条件下，将空气中的二氮（N 2 ）和氧气（O 2 ）直接转化为 HN O 3 是一种很有前景且可持续的 HNO 3 生产路线。然而，由于该反应的热力学和动力学限制，以及 N 2 的高稳定性和 O 2 的低活性，实现空气中这两种分子的共激活和高效转化以合成 HN O 3 具有挑战性。
鉴于此，近期中国科学院大连化学物理研究所（DICP）邓德会研究员领导的研究小组《自然-合成》（Nature Synthesis）杂志上发表了题为 “Direct electroconversion of air to nitric acid under mild conditions” 的研究成果。该研究通过羟基自由基（-OH）介导的异质均相电化学路线，实现了在环境条件下将空气直接转化为（硝酸） HNO 3 。 在该路线中，通过在石墨棒催化剂上将 O 2 异相电还原为 H 2 O 2 ，再结合原位生成的 H 2 O 2 在同相 Fe 2+ 诱导下解离为作为活性氧化物种的 OH - ，从而将 N 2 氧化为 HN O 3 。
在这项研究中，研究人员开发了一种在阴极室将空气直接转化为 HNO 3 的异质均相电化学路线。在阴极电位为 0 V vs. RHE 时，硝酸的法拉第效率高达 25.37%，选择性超过 99%，优于之前报道的阳极在 1.23 V vs. RHE 以上的高电位下对 N 2 的电催化氧化。
多种原位光谱特性分析和理论计算显示， Fe 2+ 诱导原位生成的 H 2 O 2 解离产生的 -OH 可以有效地激活 N 2 。这使得 HNO 3 的生产率高达 141.83 μmol . h -1 . gFe -1 ，是直接使用 H 2 O 2 作为氧化剂的 225 倍。 这种由N 2 和O 2 合成HNO 3 的工艺有效避免了传统的高温高压反应条件，为N 2 和O 2 在温和条件下的共活化和高效转化提供了一条新的途径。
参考文献
Shiming Chen et al, Direct electroconversion of air to nitric acid under mild conditions, Nature Synthesis (2023). DOI: 10.1038/s44160-023-00399-z
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