科创中国

行业领域

新能源及节能技术,核能及氢能

需求背景

氨（NH₃）是氮肥生产的基本原料，对国家粮食安全至关重要。近一个世纪以来，氨的规模化生产主要依赖于能量密集型且需消耗大量化石燃料的哈伯-博施（Haber-Bosch）工艺。作为一种绿色环保的替代方法，利用可持续能源驱动的电化学低温合成策略近年来引起了学者们的研究兴趣。目前，电化学合成氨的研究主要以氮气为原料，尽管经过多年的发展，其能量利用率仍然非常低，且其氨产率比Haber-Bosch工艺低2~3个数量级。除了极难活化的N≡N键外，氮气在水中的超低溶解度也是性能难以提升的关键问题之一。

需解决的主要技术难题

针对固体电解质氨电化学合成与转化效率低的问题，开展兼具氨合成与转化功能的新型中低温电解质材料与电化学器件前沿研究。具体包括：中低温条件下具有高质子电导率的新型电解质材料及其制备技术；中低温条件下高效稳定的氨转化与合成催化剂；氨/氢电化学反应竞争机理与氨反应选择性强化方法；电解质和催化剂的匹配技术及界面调控方法；研发基于中低温电解质的高效氨电化学转化器件。

期望实现的主要技术目标

电化学合成氨的验证性电堆功率≥500 瓦，稳定运行时间≥1000 小时，运行温度≤400℃，每平方米电池的电化学合成氨产率≥0.1 摩尔/小时，法拉第效率≥80%；固体电解质直接氨燃料电堆功率≥500 瓦，稳定运行时间≥1000 小时，运行温度≤450℃，使用的单池峰值功率密度≥0.1 瓦/平方厘米，氨转化效率≥95%；电解质相对质量密度≥90%。

需求解析

解析单位：“科创中国”绿色化工产业科技服务团（中国化工学会） 解析时间：2023-10-23

王红涛

中石化（大连）石油化工研究院有限公司

主任、副研究员

综合评价

基于目前国内固体电解质燃料电池（SOFC）和电解池（SOEC）的发展情况看，电化学合成氨技术将面临着极为重大的挑战。一是需要研发具有高离子传输效率、稳定性和耐高温等特性的固体电解质材料，以提高电化学反应效率和循环寿命。二是需要开发高效的电极催化剂，以促进氮气的还原和氢气的产生反应，提高反应速率和选择性。另外，电解工艺、运行寿命等都将影响该技术的发展。

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解析单位：甘肃省兰州新区 解析时间：2022-11-24

张志成

兰白试验区联合创新研究院

技术部部长

综合评价

此项技术需求描述清晰，属于行业共性问题，氨（NH3）是氮肥生产的基本原料，对国家粮食安全至关重要，且此技术是一种绿色环保的方法。

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处理进度