Low Power Consumption Ammonia Electrosynthesis Using Hydrogen-Nitrate Flow Electrolyzer

电合成 电解 氨生产 硝酸盐 环境科学 化学 无机化学 材料科学 电化学 废物管理 电极 工程类 电解质 有机化学 物理化学
作者
Qikun Hu,Ouwen Peng,Jia Liu,Derong Chen,Kian Ping Loh
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:9 (5): 2303-2309 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.4c00906
摘要

Ammonia synthesis through electrochemical nitrate reduction has emerged as a promising alternative to the conventional Haber–Bosch process. However, the use of a sluggish oxygen evolution reaction as the anode reaction leads to high energy consumption in nitrate reduction. In this study, we directly utilize hydrogen gas to synthesize ammonia by pairing the hydrogen oxidation reaction with the nitrate reduction reaction. A significantly lower cell voltage for ammonia synthesis was realized on a 16 cm2 flow electrolyzer. We achieved an impressive ammonia yield rate of 16.9 mmol h–1 at a cell voltage of 1.2 V cell voltage. Notably, this approach exhibits a low power consumption of 17 kWh kg–1 of NH3. The mechanism study shows hydroxyl ions generated from water splitting at the cathode cross the anion exchange membrane to react with protons generated from hydrogen oxidation at the anode. Through rigorous technical and economic analyses, this approach is found to be economically viable for industrial synthesis.
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