随着化石燃料的消耗，各种各样的产物一同排入大气。其中，氮氧化物（NO_X）是一种对环境和人类十分有害且难以处理的物质。目前处理NO_X的主要方式是从污染源头进行化学还原，缺乏在开放环境中的有效控制。因此，寻求一种分布式自驱动的氮氧化物净化技术具有重要意义。 

近日，在中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和唐伟研究员的指导下，韩凯等人设计了一种基于摩擦纳米发电机（TENG）的自驱动NO_X同步吸收和降解系统。如图1所示，该系统由星型引擎结构TENG、气路控制模块和电催化系统组成。在外力驱动下，利用单向阀的控制，含有NO_X污染物的气体持续通入电解池，形成以为硝酸盐和亚硝酸盐其主的电解液。与此同时，引擎结构腔室内的堆叠式TENG发生接触分离，为催化还原降解供电。电催化体系选用了耐腐蚀和表面积较大的泡沫镍作为催化剂和工作电极。引入风杯作为气流收集装置，在6 m/s的风速环境下，系统实现了对模拟吸收液中污染物的有效自驱动电催化降解。该风力驱动NO_X同步吸收和降解系统装置可以放置于路灯等城市环境中，是传统治理方法的一种重要补充，也为其他气体污染物治理提供了一种途径。 

图1 自驱动同步吸收和降解NO_X系统示意图、应用场景和降解结果展示

此外，在上述氮氧化物的催化降解产物中发现有氨形成。作为氮循环中的重要一员，氨在化肥生产和其他化学品的制造中一直发挥着重要作用。以Haber-Bosch工艺为代表的传统合成方法需要高温高压等苛刻条件，加剧了对能源的需求和对环境的破坏。寻找更加低能耗、环境友好的合成氨方法也是当务之急要解决的问题之一。 

因此，利用摩擦纳米发电机的自身优势，如图2，课题组研究人员进一步设计了一套直接利用空气作为氮源的双TENG自驱动电催化合成氨系统。一方面，利用TENG产生的高电压引发空气放电，实现氮氮化学键的断裂，将氮气其以NO_X的形式进行固定并进一步获取含有NO₃^_和NO₂^_的电解液。另一方面，同步工作的另一TENG用于驱动电催化还原反应实现氨的合成。此外，由于每年有数十亿吨的废气排放到大气中，这些气流的剩余动能在排放前可以被继续利用。借助涡轮增压器，在鼓风机提供的3.5 m³/min模拟气流下，该系统在常温常压环境中即可成功实现每小时2.4 μg/h的氨产量。与传统的合成方法相比，该系统具有自驱动、环保、低成本、方便制造、可扩展等优点，具有很大的氨合成应用潜力。 

图2 双TENG自驱动利用空气电催化合成氨系统示意图和合成结果展示

以上成果发表在近期的学术期刊ACS Nano和Energy & Environmental Science上，分别为“Wind-Driven Radial-Engine-Shaped Triboelectric Nanogenerators for Self-Powered Absorption and Degradation of NO_X” (链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b08496 )和“Self-Powered Electrocatalytic Ammonia Synthesis Directly from Air as Driven by Dual Triboelectric Nanogenerators” (https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ee/d0ee01102a )。北京纳米能源与系统研究所王中林院士和唐伟青年研究员为上述文章共同通讯作者，韩凯为第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科学技术委员会、中国科学院青年创新促进会等项目资助。

来源：http://www.binn.cas.cn/xwzx/kydt/202007/t20200702_5615309.html