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【EES & ACS Nano】風力驅動式摩擦納米發電機助力氮氧化物原位降解及空氣合成氨
發表日期: 2020-07-02 文章來源:
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  隨著化石燃料的消耗,各種各樣的產物一同排入大氣。其中,氮氧化物(NOX)是一種對環境和人類十分有害且難以處理的物質。目前處理NOX的主要方式是從污染源頭進行化學還原,缺乏在開放環境中的有效控制。因此,尋求一種分布式自驅動的氮氧化物凈化技術具有重要意義。 

  近日,在中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和唐偉研究員的指導下,韓凱等人設計了一種基于摩擦納米發電機(TENG)的自驅動NOX同步吸收和降解系統。如圖1所示,該系統由星型引擎結構TENG、氣路控制模塊和電催化系統組成。在外力驅動下,利用單向閥的控制,含有NOX污染物的氣體持續通入電解池,形成以為硝酸鹽和亞硝酸鹽其主的電解液。與此同時,引擎結構腔室內的堆疊式TENG發生接觸分離,為催化還原降解供電。電催化體系選用了耐腐蝕和表面積較大的泡沫鎳作為催化劑和工作電極。引入風杯作為氣流收集裝置,在6 m/s的風速環境下,系統實現了對模擬吸收液中污染物的有效自驅動電催化降解。該風力驅動NOX同步吸收和降解系統裝置可以放置于路燈等城市環境中,是傳統治理方法的一種重要補充,也為其他氣體污染物治理提供了一種途徑。 

1 自驅動同步吸收和降解NOX系統示意圖、應用場景和降解結果展示

  此外,在上述氮氧化物的催化降解產物中發現有氨形成。作為氮循環中的重要一員,氨在化肥生產和其他化學品的制造中一直發揮著重要作用。以Haber-Bosch工藝為代表的傳統合成方法需要高溫高壓等苛刻條件,加劇了對能源的需求和對環境的破壞。尋找更加低能耗、環境友好的合成氨方法也是當務之急要解決的問題之一。 

  因此,利用摩擦納米發電機的自身優勢,如圖2,課題組研究人員進一步設計了一套直接利用空氣作為氮源的雙TENG自驅動電催化合成氨系統。一方面,利用TENG產生的高電壓引發空氣放電,實現氮氮化學鍵的斷裂,將氮氣其以NOX的形式進行固定并進一步獲取含有NO3_NO2_的電解液。另一方面,同步工作的另一TENG用于驅動電催化還原反應實現氨的合成。此外,由于每年有數十億噸的廢氣排放到大氣中,這些氣流的剩余動能在排放前可以被繼續利用。借助渦輪增壓器,在鼓風機提供的3.5 m3/min模擬氣流下,該系統在常溫常壓環境中即可成功實現每小時2.4 μg/h的氨產量。與傳統的合成方法相比,該系統具有自驅動、環保、低成本、方便制造、可擴展等優點,具有很大的氨合成應用潛力。 

2 TENG自驅動利用空氣電催化合成氨系統示意圖和合成結果展示

  以上成果發表在近期的學術期刊ACS NanoEnergy & Environmental Science上,分別為“Wind-Driven Radial-Engine-Shaped Triboelectric Nanogenerators for Self-Powered Absorption and Degradation of NOX” (鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b08496 )“Self-Powered Electrocatalytic Ammonia Synthesis Directly from Air as Driven by Dual Triboelectric Nanogenerators” (https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/d0ee01102a )。北京納米能源與系統研究所王中林院士和唐偉青年研究員為上述文章共同通訊作者,韓凱為第一作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市科學技術委員會、中國科學院青年創新促進會等項目資助。 

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