翁波/韩宁Adv. Sci.: 电催化合成氨中催化剂与反应环境的多维结构优化与调控机制探索

背景简介
氨（NH3）因其高能量密度（4.32 kWh L-1）、丰富氢含量（17.6 wt.%）以及较高的液化温度（-33 °C），在农业、医疗和能源领域得到了广泛应用，被视为碳中性燃料和氢储存材料。目前，NH3的主要合成方法是通过Haber-Bosch（H-B）工艺，该工艺需要在高温（350-450 °C）和高压（100-200 bar）条件下运行，能耗较高（占全球年能耗的1%），并伴随着大量CO2排放（超过全球的1.4%）。为应对能源与环境挑战，开发绿色可持续的NH3合成技术显得尤为重要。例如，可以利用电解水制备的绿氢替代天然气制氢，进而应用在H-B工艺中。然而，这种方法仍需解决电解水能效、低压H-B工艺及NH3分离等方面的挑战。电化学合成氨（EAS）因其采用电能驱动，能够在更温和条件下（低温、低压）操作，并且可以利用太阳能或风能发电，同时以水为质子源，不受天然气供应限制。尽管如此，由于反应涉及复杂中间产物和缓慢动力学过程，EAS面临产率低和选择性差的问题。例如，电化学氮还原反应（eN2RR）以空气中的氮气为氮源，但由于氮气分子中的氮氮三键极其稳定（941 kJ mol-1）且氮气在水中的溶解度低，导致反应活性受限。类似地，使用其他含氮化合物（如NO、NO2-和NO3-）作为氮源的EAS也面临产率低和选择性差的挑战。为了推动绿色NH3合成工业化，需进一步突破这些技术瓶颈。
基于此，临沂大学楚凯斌、中国科学院城市环境研究所翁波研究员和多伦多大学韩宁博士等共同合作，综述了电化学合成氨（EAS）的三个主要路径的最新进展和挑战：（1） eN2RR，（2）电化学一氧化氮还原反应（eNORR），（3）电化学硝酸根还原反应（eNO3RR）。通过多维结构优化，如电催化剂设计和电化学反应器工程等多种策略被详细探讨，以提高EAS的产率和电流效率。此外，文章还深入讨论了EAS的挑战和未来前景。相关综述以“Exploration of Multidimensional Structural Optimization and Regulation Mechanisms: Catalysts and Reaction Environments in Electrochemical Ammonia Synthesis”为题，发表在willey出版社期刊Advanced Science上。

本文要点
本文综述了EAS的多维结构优化与调控机制，重点关注催化剂设计和反应环境优化在提高NH3合成效率中的作用。文章首先讨论了三种主要的电化学合成NH3路径：eN2RR、eNO3RR和eNORR，详细分析了每种路径的反应机理、中间产物及面临的挑战。
在催化剂设计方面，文章探讨了多种策略，包括空位工程、晶面设计、杂化工程、相工程和配位环境调控。通过引入氧空位、硫空位和氮空位等，优化催化剂的局部电子结构和配位环境，增强氮气或硝酸根的吸附和活化能力；通过暴露特定晶面和构建异质结界面，优化反应路径中的速率决定步骤，提升催化剂活性；通过设计非晶态催化剂和调控单原子催化剂的配位环境，增加活性位点数量，优化中间产物的吸附能，提升反应活性。此外，文章还强调了理论计算在催化剂设计中的重要作用，特别是密度泛函理论、分子动力学模拟和COMSOL物理场模拟在揭示反应机理和优化催化剂性能中的应用。文章还探讨了其他策略，如电解液设计、反应器设计和质子穿梭剂设计，通过优化电解液组成和电解池设计，抑制副反应，提升NH3的产率和选择性。
最后，文章指出尽管EAS技术取得了显著进展，但仍面临低产率、低选择性和催化剂稳定性等挑战，未来研究应进一步探索高效催化剂的设计与优化，结合理论计算和实验验证，推动电化学合成NH3技术的实际应用。

文章链接：
K. Chu, B. Weng, Z. Lu, Y. Ding, W. Zhang, R. Tan, Y.-M. Zheng, N. Han, Exploration of Multidimensional Structural Optimization and Regulation Mechanisms: Catalysts and Reaction Environments in Electrochemical Ammonia Synthesis. Adv. Sci. 2025, 12, 2416053. https://doi.org/10.1002/advs.202416053.

作者介绍：

楚凯斌，临沂大学材料科学与工程学院讲师，2023年博士毕业于江南大学。至今已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.等高水平期刊上发表35篇论文。以第一作者/通讯作者，在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.等期刊上发表了论文13篇。申请中国/美国发明专利9项，其中授权中国专利6项，美国专利获授权1项，主持相关项目2项。研究方向主要集中在钙钛矿/功能性有机多孔材料的设计及其在电催化合成氨领域的应用，以及智能水凝胶复合材料在光催化领域的应用。

翁波，项目研究员，中国科学院BR计划候选人，福建省引进高层次创业创新人才（百人计划），福建省高层次人才，欧盟玛丽居里学者，比利时FWO研究学者。2018年博士毕业于福州大学能源与环境光催化国家重点实验室，毕业后分别在厦门大学和比利时鲁汶大学从事博士后研究工作。2024年加入中国科学院城市环境研究所，主要从事能源与环境光/电催化。近年来，已在SCI收录专业期刊发表论文79篇，SCI引用5248次（Google Scholar），h指数36。其中以第一作者或通讯作者在Nat. Rev. Clean Technol. Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nat. Commun.，ACS Catal.，Adv. Sci.等期刊发表论文40篇；2篇文章入选ESI 0.1%热点论文，7篇论文入选ESI 1%高被引论文。受邀担任NPJ Clean Water期刊编委；Chem, Carbon Energy, EcoMat, EcoEnergy等期刊青年编委。担任Adv. Funct. Mater, Carbon Energy, ChemSusChem, RSC Mater. Adv.等期刊客座编辑。被评为2021年度英国皇家化学学会J. Mater. Chem. A期刊新锐科学家（Emerging Investigator）。受邀担任国家自然科学基金，欧盟玛丽居里博士后基金项目评审专家。同时担任Nat. Water, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater. Adv. Energy Mater.等国际期刊审稿人。

韩宁，加拿大多伦多大学A3MD博士后研究员(导师Edward H Sargent)，目前主要研究方向为利用人工智能加速催化材料的发现，以用于可再生燃料的生产。近年来收录高水平论文60余篇，被引用超过5000余次，h-index 38。受邀担任Carbon Energy, InfoMat, Nano Materials Science, Rare Metals等期刊副主编/编委/青年编委。入选2022年中国国家优秀自费留学生奖，2023国际电化学学会(ECS)优秀学生奖(每年10人)，2023-2024连续入选斯坦福全球2%顶尖科学家榜单，荣获2025年英国皇家化学会新锐科学家 (J. Mater. Chem. A), 2025年国际先进材料协会IAAM奖章等。