Ni-BZCY72固态电解质电池中氨的电化学合成研究

Ni-BZCY72固态电解质电池中氨的电化学合成研究

直接使用氢气和氮气合成氨的技术被认为是20世纪多相催化领域的顶尖技术，工业生产使用的主要方法是哈柏法，大多数使用铁基催化剂，工作温度400～500℃，工作压力大约15MPa。与此同时，利用固态电解质电池反应原理合成固态氨的方法也被提出，这种方法是把氢气和氨气分别放在反应装置的2个腔里（图1），施加合适的电压后质子形态的氢会输送到阴极，和氮发生反应形成氨。阴极材料不仅有电传导的功能，而且要有很高的氨合成催化能力。

研究表明，Ni-BaZr0.7Ce0.2Y0.1O2.9（Ni-BZCY72）金属陶瓷材料作为阴极能够达到很好的性能。研究了在阴极供给氢气和氮气混合气与不供给氢气这两种情况下，氨合成速率的差别，也研究了电压对氨合成的影响。

试验数据表明，在大气压力下，反应物体积流量控制在150mL/min时,工作温度达420～660℃，合成速度随着工作温度先上升后下降，在620℃时达到顶峰。工作电压越高氨合成速率越高，在1V以下时合成速率较低，1～1.8V时合成速率增加较快，但超过1.8V时合成速率上升不明显。当纯氮气引入到阴极腔时，在工作温度620℃下的最高氨合成速率为1.7×10-9mol/s·cm2。当把氢气和氮气混合之后引入到阴极腔时，在工作温度620℃、H2/N2=1的条件下,氨的电化学合成速度为4.1×10-9mol/s·cm2，合成速度提高了140%。合成速率的提高也伴随着相对低的法拉第效率，催化剂也能在高电流密度下高效地将质子合成为NH3。

刊名：Solid State Ionics（英）

刊期：2016年第288期

作者：E.Vasileiou

编译：田甜