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为解决传统氨生产耗能大、污染环境以及二氧化碳（CO2）捕获利用难题，研究人员开展了基于钼（Mo）基催化剂的硝酸根电还原（NO3RR）与CO2捕获联合的研究。结果显示，碳缺陷的Mo2C催化剂表现优异，该研究为可持续氨生产和碳封存提供新策略。
在全球农业对氨需求日益增长的当下，传统哈伯 - 博施法（Haber - Bosch process）生产氨的方式却面临着诸多困境。它需要在高温（400 - 500°C）、高压（150 - 300 bar）的条件下进行，耗费大量能源，而且为了打破氮气（
N2）分子中稳定的三键（其键解离能约为 941 kJ/mol），更是雪上加霜。不仅如此，这一过程还会排放大量二氧化碳（
CO2），加剧全球温室效应。与此同时，
CO2的捕获和利用也一直是科学界和工业界关注的焦点难题。传统
CO2捕获方法中，捕获后的
CO2需压缩储存运输，额外增加能源消耗和成本，限制了整体效率和可持续性。
为了突破这些困境，来自国内的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于寻找一种高效且环保的方式，既能实现氨的可持续生产，又能有效捕获和利用CO2 。研究聚焦于钼（Mo）基催化剂在硝酸根电还原（NO3RR）中的应用，同时探索其与CO2捕获联合的可能性。
研究人员通过射频磁控溅射法制备了多种 Mo 基催化剂，包括金属 Mo、MoO2、MoS2和Mo2C ，并对它们在NO3RR 中的性能进行了系统研究。经过一系列复杂而精细的实验和分析，研究得出了令人振奋的结论。其中，碳缺陷的Mo2C薄膜在NO3RR 中展现出最为出色的电化学活性。通过原位表征技术（如拉曼光谱（Raman spectroscopy）、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR - FTIR）和电位相关电化学阻抗谱（EIS））发现，Mo2C中的碳空位能够促进氢自由基的生成，增强电荷转移动力学，这对其催化性能起到了关键作用 。研究人员还通过调整射频溅射功率来调控碳空位浓度，最终确定了Mo2C?50W（在 50 W 功率下沉积）为最优配置。在 - 0.35 V（相对于可逆氢电极，vs. RHE）的电位下，该催化剂实现了 108.6 mg/h?cm2的高氨产率，法拉第效率（FE）达到 93.9% 。在实际应用方面，研究人员使用全溅射电极的流动池电解槽（NiFeV (+)‖Mo2C(?)）进行验证。通过将高效的阴极设计（Mo2C?50W）与先进的阳极设计（NiFeV）相结合，该系统在 2.3 V 的电压下，氨生产率达到 210.8 mg/h?cm2 ，法拉第效率为 94.2% ，每生产 1 kg 氨仅消耗 26.3 kWh 的能量，超越了澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）和美国能源部（DOE）对氮气还原（N2RR）设定的目标 。此外，研究人员引入了氨介导的CO2吸附系统，用于通过同步CO2捕获和NO3RR 生产碳酸氢铵（NH4HCO3）。该系统表现出了卓越的CO2捕获能力，每生成 1 克氨可捕获 1.73 克CO2，每使用 1 克氢氧化钾（KOH）可捕获 0.46 克CO2 。
这项研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，具有多方面的重要意义。在氨生产领域，为可持续氨生产开辟了新路径，有望减少对传统高能耗生产方式的依赖；在环境保护方面，实现了CO2的高效捕获和利用，有助于缓解温室效应；从经济角度看，将富含硝酸根的废水转化为有价值的氨和碳酸氢铵，创造了经济效益。
在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：首先，采用射频磁控溅射法制备各种 Mo 基催化剂薄膜；然后，利用多种表征技术，如 X 射线衍射（XRD）、电子顺磁共振（EPR）、X 射线光电子能谱（XPS）、原位拉曼光谱、原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱和原位电化学阻抗谱，对催化剂进行全面的结构和性能分析；最后，通过构建流动池电解槽进行电化学测试，评估催化剂在实际反应中的性能。
下面具体来看研究结果：
- 催化剂制备与表征：研究人员通过热压机制备溅射靶材，将前驱体粉末干球磨混合均匀后转移至模具，经手动压实、抽真空等步骤完成靶材制作。制备的缺陷Mo2C?50W薄膜的 X 射线衍射图谱显示出对应于六方Mo2C的多个衍射峰，表明成功制备出目标催化剂，且 Mo 以Mo2+、C 以C4?形式存在。
- NO3RR 性能研究：在多种 Mo 基催化剂中，碳缺陷的Mo2C展现出最佳的NO3RR 活性。通过调控射频溅射功率改变碳空位浓度，Mo2C?50W在 - 0.35 V（vs. RHE）下实现高氨产率和法拉第效率。原位表征揭示碳空位促进氢自由基生成和电荷转移，提升催化性能。
- 流动池电解槽应用：采用 NiFeV (+)‖Mo2C(?) 的流动池电解槽，集成高效阴阳极设计，在 2.3 V 电压下获得高氨生产率和法拉第效率，能耗低于相关标准，证明该系统在实际应用中的潜力。
- 氨介导CO2吸附系统：引入的氨介导CO2吸附系统，在同步CO2捕获和NO3RR 过程中表现出良好的CO2捕获能力，生成的碳酸氢铵可作为肥料等工业产品，实现资源的有效利用。
研究结论表明，首次通过射频溅射制备的碳缺陷Mo2C薄膜在NO3RR 中性能卓越，优于其他 Mo 基薄膜。碳空位调节活性位点的局部构型和电子结构，引发电荷极化，提升催化效果。在实际应用中，该研究构建的系统在氨生产和CO2捕获方面展现出巨大优势。然而，研究也存在一些有待进一步探索的地方，例如如何进一步优化催化剂的制备工艺，提高其长期稳定性；如何更深入地理解NO3RR 和CO2捕获过程中的协同机制，以实现更高效的反应体系。总体而言，这项研究为可持续化学过程提供了创新思路，在氨生产、CO2捕获与利用领域具有广阔的应用前景，有望推动相关行业朝着绿色、高效的方向发展。
