- 韓國研究團隊利用鈀膜技術合成氨，無需化石燃料。
- 鈀膜能暫時儲存氫，並有效傳輸質子，抑制水交叉。
- 新系統在低水含量下維持氨的表現，顯示其潛力。
- 該技術可應用於其他電化學設備，提升質量分離能力。
科學家多年來一直試圖在不依賴化石燃料衍生氫氣的情況下合成氨，但他們無法找到將氫離子轉移到反應室的方法，同時又不讓水隨之而來。韓國研究團隊現在展示了一種解決這一問題的方法，利用密集的鈀膜，暫時將氫離子轉變為氫原子，通過金屬移動，並在另一側轉換回離子。這種方法使研究人員能夠利用水作為氫源合成氨，同時保持對水敏感的反應區域大致乾燥。研究作者指出：「我們的研究引入了一種新的離子傳輸機制，擴展了對於需要嚴格區隔的下一代電化學系統的設計空間。」
水為何成為問題？電化學氨合成可以利用可再生電力從氮和水製造氨，而不是依賴化石燃料衍生的氫氣。然而，研究人員使用鋰介導的氮還原反應（Li-NRR），使氮在非水電解質中反應。即使是少量水進入這一區域，也會干擾鋰化學，形成不希望的固體電解質界面，最終損害反應。傳統解決方案是使用離子交換膜。這些膜內含有水填充的通道，允許質子在兩側之間移動，但這些通道同樣也可以允許水和其他分子通過。
試圖使其更具選擇性通常會妨礙快速傳輸離子的能力，造成長期以來的導電性與選擇性之間的權衡。
鈀膜的獨特氫儲存特性
研究人員採取了不同的方法，即使金屬本身攜帶氫氣。研究人員使用密集的鈀箔作為膜。當氫離子到達一側時，施加的電場使它們獲得電子並以氫原子的形式進入鈀中。鈀可以在其晶格中儲存氫，形成鈀氫化物（PdHₓ），使這些氫原子能夠通過金屬擴散。在對面表面，這些氫原子再次釋放為氫離子。這種氫儲存特性至關重要。對於鉑和鎳等金屬的實驗未能產生相同的質子轉運行為，因為它們無法以相同方式儲存氫。
換句話說，這個膜不僅僅是一個密集的金屬屏障；它臨時吸收氫的能力使得這一傳輸機製得以運作。研究作者補充說：「我們展示了一種獨特的質子轉運機制，該雙極鈀膜能夠選擇性地傳輸質子，同時抑制分子交叉。」
新系統的氨合成表現
研究人員將該膜連接到連續流氨電解槽。陽極的水經歷氧氣析出反應（OER），生成質子。鈀膜將這些質子運輸到一個分開的非水陰極電解質，在那裡氮進行鋰介導的氮還原反應並轉化為氨。這使水在不暴露於水相反應的情況下提供氫源。在一個持續流動的 12 小時測試中，這一新系統保持了其氨的表現，而陰極電解質的水含量僅為 105 ppm，遠低於先前報告的通過離子交換膜的水交叉。研究作者之一、韓國能源研究院資深研究員金在亨（Jae-Hyung Kim）表示：「這一成就意義重大，因為我們提出的新型離子傳輸機制為交叉問題提供了一種有效的解決方案，
而這仍然是通過電化學設備實施綠色氨合成的主要障礙。」
研究人員還測試了一種不易揮發的雙甘醇基電解質，以進行更長時間的運行。該系統運行約 79 小時，在 72 小時後氨的法拉第效率（即產生氨的電流份額）仍為 50%。實驗最終因陰極電解質凝膠化而阻塞流道而停止。雖然結果尚未使這項技術準備好進行工業氨生產，但擴展實驗揭示了幾個障礙，包括陰極電解質降解、鈀表面變化，以及長時間運行後約 5 ppm 的溶解鈀。研究人員表示，未來的工作將需要改善電解質、流動電池設計和鈀膜的穩定性。
技術的廣泛應用潛力
不過，這項工作的意義超越了氨的生產。通過在金屬晶格中移動氫，而不是通過充滿水的聚合物運輸水合質子，這一方法提供了一種新的方式，使化學不相容的環境在電化學設備內部保持分隔。金在亨表示：「所開發的技術在各種電化學設備中具有高潛力，這些設備要求比氨合成更嚴格的質量分離。」該研究已發表在《Advanced Science》期刊上。
項目 規格 氨法拉第效率 50% 流動測試時長 79 小時 陰極水含量 105 ppm
鈀膜技術對氨合成的突破性影響
這項研究展示了鈀膜技術在無化石燃料氨合成中的重要性，解決了以往氫離子轉移過程中的水干擾問題。通過利用鈀膜的氫儲存特性，研究人員成功在低水含量環境中維持氨的合成表現，顯示出該技術的潛力。此外，這一方法不僅限於氨生產，還可能在其他電化學設備中推動更嚴格的質量分離，為未來的可持續化學合成提供新的思路。