吴轩浩研究员团队在Nature Communications发文揭示气体扩散电解池中N2O向N2的高效转化策略

第一作者：李哲

通讯作者：吴轩浩/吴忠标

通讯单位：浙江大学

DOI：10.1038/s41467-025-67244-z

氧化亚氮（N₂O）是仅次于二氧化碳和甲烷的第三大温室气体，其全球变暖潜势（GWP）可达CO₂的273倍，并能显著破坏臭氧层，已被视为21世纪主要的人为臭氧消耗物质之一。工业排放（如己二酸、硝酸生产尾气）是其重要人为来源，这类废气中N₂O浓度较高（0.3~40 vol.%）、排放集中，适宜进行定向治理。目前广泛采用的热催化技术存在能耗高、碳排放量大、催化剂易失活等局限，因此迫切需要发展低温、高效且可持续的新型减排途径。电催化N₂O还原反应作为一种环境友好、可在温和条件下进行的替代技术，显示出良好前景，但面临单程转化率低（通常＜30%）的瓶颈。该问题主要源于两方面：一是反应器内传质效率低，传统电解池中N₂O溶解度有限、扩散路径长；二是催化剂本征活性不足，N₂O分子化学惰性强，其在催化剂表面的吸附与活化过程能垒较高，后续N–O键加氢断裂步骤动力学缓慢。这些因素共同制约了该技术的整体转化效率与实际应用可行性。

本研究开发了一种基于CuAg双金属纳米合金催化剂的气体扩散电解池（GDE）系统，用于高效电催化还原N₂O为N₂。在10 vol.% N₂O的工业浓度条件下，系统实现了79.4%的单程转化率及1381.7 μmol h^-1 mg_cat^-1的高分解速率。计算流体动力学模拟表明，该体系通过优化气体流动与扩散路径，显著提升了N₂O在电极表面的分布均匀性，克服了传统间歇式反应器的传质限制。Cu与Ag之间的电子协同效应强化了N₂O的吸附、加氢及N–O键的解离。技术经济评估显示，该工艺的平准化分解成本为1.66~2.14 $ kg^-1。该研究凸显了电催化N₂O分解技术的应用潜力与工程可行性。

图1 CuAg双金属纳米合金催化剂-气体扩散电解池体系电催化N₂O还原示意图。

图2 CuAg/MWCNT催化剂理化表征及其N₂ORR性能。（a）CuAg催化剂合成示意图。（b）催化剂TEM图像和粒径分布。（c）催化剂EDS元素分布图。（d）GDE的示意图和气体扩散机制，以及工作电极SEM图像。（e）催化剂的反应速率拟合曲线。（f）在GDE和H型电解池中的N₂O转化率对比。（g）CuAg催化剂在不同电位下的10 vol.% N₂O转化率和（h）法拉第效率（FE_N2ORR）。

图3 N₂O流动状态的CFD模拟。（a）GDE和（b）H型电解池中N₂O沿电极表面的流速分布：：（c）GDE和（d）H型电解池中N₂O沿电极表面的体积分数分布。（e）GDE和（f）H型电解池中N₂O流速和体积分数随距离的变化关系。（g）气体从流道到气-液-固三相边界扩散动力的示意图。（h）不同浓度下的N₂O理想扩散速率和分解速率。

图4 CuAg纳米合金催化剂在N₂ORR中的电化学性质。（a-b）不同催化剂在N₂O饱和电解质中的LSV曲线。（c）CuAg_0.13在Ar和N₂O饱和电解质中的LSV曲线。（d）催化剂在N₂O饱和条件下的Tafel斜率、（e）Nyquist图和（f）C_dl测量结果。（g）CuAg_0.13在不同气体氛围下48小时内的电流密度和N₂O转化率。（h）反应后电解质的XRD图谱。

图5 N₂ORR的机理分析。（a,b）CuAg和（c,d）Cu上N₂ORR的原位DRIFTS光谱。（e）CuAg、Cu和Ag在N₂O饱和条件下的活性氢EPR谱。（f）CuAg在Ar和N₂O饱和条件下活性氢EPR谱。（g）N₂ORR在CuAg、Cu(111)和Ag(111)上的自由能图和中间体构型。（h）CuAg和CuAg-*NNOH的差分电荷密度图。

图6 N₂O分解技术的技术经济评估。（a）N₂ORR在实验电位范围内的N₂O降解平准化成本（LC_N2O）。（b）LC_N2O的成本分布与（c）敏感性分析。LC_N2O依赖于（d）FE_N2ORR和电流密度（转化率为80%）以及（e）FE_N2ORR和转化率（电流密度为100 mA cm⁻²）的等高线图。（f）多参数优化综合降低LC_N2O的路线图。