從氮到氨：電催化合成氨的機(jī)理與技術(shù)進(jìn)展

一、引言

      氨在現(xiàn)代工業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有不可替代的作用。作為制造化肥的核心原料，氨支撐著全球糧食生產(chǎn)，保障糧食安全；在工業(yè)領(lǐng)域，其廣泛應(yīng)用于制藥、塑料、纖維等眾多化工產(chǎn)品的合成過程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年氨的產(chǎn)量高達(dá)數(shù)億噸，且需求仍呈穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。目前，工業(yè)合成氨主要依賴 Haber-Bosch 工藝，該工藝需在高溫（400 - 500℃）、高壓（10 - 30 MPa）條件下，借助鐵基催化劑促使氮?dú)馀c氫氣反應(yīng)生成氨。然而，這一經(jīng)典工藝存在顯著弊端，不僅消耗全球約 1% - 2% 的能源，還因依賴化石燃料制氫，每年排放大量二氧化碳，約占全球總排放量的 1%，對(duì)環(huán)境造成沉重負(fù)擔(dān)，與當(dāng)下全球倡導(dǎo)的低碳、可持續(xù)發(fā)展理念相悖。在此背景下，開發(fā)綠色、高效、低能耗的新型合成氨技術(shù)成為科研與工業(yè)界共同聚焦的熱點(diǎn)，電催化合成氨技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并展現(xiàn)出巨大潛力。

      電催化合成氨借助電能驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，可在常溫常壓下將氮?dú)饣蚝衔镛D(zhuǎn)化為氨。相較于傳統(tǒng)工藝，該技術(shù)具備多方面優(yōu)勢(shì)：首先，反應(yīng)條件溫和，大幅降低設(shè)備要求與能耗；其次，若采用可再生能源供電，可實(shí)現(xiàn)近乎零碳排放的綠色合成過程；再者，其反應(yīng)裝置具有模塊化、小型化特點(diǎn)，生產(chǎn)靈活性高，有望分散布局，減少運(yùn)輸成本與風(fēng)險(xiǎn)。近年來，隨著材料科學(xué)、電化學(xué)等學(xué)科的迅猛發(fā)展，電催化合成氨在反應(yīng)機(jī)理認(rèn)知、高效催化劑開發(fā)、電解池系統(tǒng)優(yōu)化等方面取得了一系列重要進(jìn)展，但同時(shí)也面臨諸多挑戰(zhàn)，距離大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用仍有一定距離。

二、電催化合成氨的反應(yīng)機(jī)理

2.1 氮?dú)膺€原反應(yīng)（NRR）機(jī)理

      氮?dú)膺€原合成氨的核心步驟是打破氮?dú)夥肿又袠O為穩(wěn)定的氮氮三鍵，其鍵能高達(dá) 941.6 kJ/mol 。目前普遍認(rèn)為，電催化 NRR 在催化劑表面主要存在兩種反應(yīng)路徑：解離式路徑和締合式路徑。

      解離式路徑下，氮?dú)夥肿邮紫任皆诖呋瘎┍砻?，隨后氮氮三鍵直接斷裂，生成的氮原子依次加氫形成氨。此路徑反應(yīng)過程相對(duì)簡(jiǎn)單直接，但由于氮氮三鍵斷裂需克服能壘，對(duì)催化劑活性要求苛刻，多數(shù)催化劑難以滿足，導(dǎo)致反應(yīng)效率低下。締合式路徑則更為復(fù)雜且被廣泛認(rèn)可，氮?dú)夥肿右远嘶騻?cè)基形式吸附在催化劑表面后，通過逐步加氫方式，歷經(jīng)多種含氮中間體，最終生成氨。該路徑無需直接斷裂氮氮三鍵，降低了反應(yīng)能壘，然而中間體在催化劑表面的吸附與轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜，需精準(zhǔn)調(diào)控催化劑活性位點(diǎn)性質(zhì)，以確保各步反應(yīng)順利進(jìn)行，避免中間體過度吸附導(dǎo)致催化劑中毒或生成副產(chǎn)物。此外，在電催化體系中，析氫反應(yīng)（HER）作為主要競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)與 NRR 同時(shí)發(fā)生，二者在催化劑表面爭(zhēng)奪活性位點(diǎn)與電子。如何優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)與反應(yīng)條件，提高 NRR 對(duì) HER 的選擇性，是提升電催化氮?dú)膺€原合成氨效率的關(guān)鍵問題之一。

2.2 一氧化氮還原反應(yīng)（NORR）機(jī)理

      全球每年因工業(yè)活動(dòng)排放大量氮氧化物，其中一氧化氮（NO）占比較大。將 NO 電催化還原為氨，既能實(shí)現(xiàn) NO 污染物的資源化利用，又可開辟合成氨新途徑。NO 在水溶液中溶解度低，限制其傳質(zhì)效率，且電化學(xué)還原過程中析氫副反應(yīng)影響合成氨法拉第效率。

      在催化劑作用下，NO 還原合成氨一般經(jīng)歷多步電子與質(zhì)子轉(zhuǎn)移。首先，NO 吸附在催化劑表面形成吸附態(tài)NO，隨后NO 逐步加氫，最終生成氨。該過程涉及復(fù)雜的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，不同催化劑對(duì)各中間體吸附與轉(zhuǎn)化能力不同，決定了反應(yīng)路徑與合成氨性能。研究表明，提高 NO 分壓可增加其在溶液中的溶解度與傳質(zhì)效率，同時(shí)優(yōu)化催化劑表面結(jié)構(gòu)，如構(gòu)建具有三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的電極，可增大活性位點(diǎn)暴露程度，促進(jìn) NO 擴(kuò)散與吸附，提升合成氨效率。此外，通過調(diào)控催化劑電子結(jié)構(gòu)，可改變其對(duì) NO 及中間體的吸附強(qiáng)度，優(yōu)化反應(yīng)路徑，抑制析氫副反應(yīng)，提高合成氨選擇性與法拉第效率。

2.3 硝酸鹽還原反應(yīng)（NO3RR）機(jī)理

      硝酸鹽廣泛存在于工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)徑流及地下水中，對(duì)生態(tài)環(huán)境與人體健康構(gòu)成威脅。利用電催化硝酸鹽還原合成氨，既能解決硝酸鹽污染問題，又能在溫和條件下實(shí)現(xiàn)氨的綠色合成，具有環(huán)境與經(jīng)濟(jì)雙重效益。

      NO3RR 是一個(gè)復(fù)雜的 8 電子轉(zhuǎn)移過程，涉及多步脫氧與加氫反應(yīng)。反應(yīng)起始于硝酸根離子在催化劑表面的吸附，隨后逐步獲得電子與質(zhì)子，依次轉(zhuǎn)化為亞硝酸根離子、一氧化氮（NO）、羥胺等中間體，最終生成氨。在這一過程中，動(dòng)力學(xué)速率緩慢，且存在競(jìng)爭(zhēng)性析氫反應(yīng)，同時(shí)易生成亞硝酸鹽等副產(chǎn)物，降低氨的選擇性與產(chǎn)率。為提升 NO3RR 性能，需精準(zhǔn)設(shè)計(jì)催化劑，調(diào)控其對(duì)及各中間體的吸附與轉(zhuǎn)化能力。例如，通過構(gòu)建雙金屬或多金屬催化劑體系，利用金屬間協(xié)同效應(yīng)，優(yōu)化中間體吸附能，加速反應(yīng)進(jìn)程；或引入特定載體，改善催化劑電子結(jié)構(gòu)與表面性質(zhì)，促進(jìn)水的解離，為加氫過程提供充足質(zhì)子源，降低反應(yīng)能壘，提高氨的生成速率與法拉第效率。

三、電催化合成氨的技術(shù)進(jìn)展

3.1 催化劑的設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1.1 金屬催化劑

      金屬催化劑在電催化合成氨領(lǐng)域研究歷史悠久，早期多集中于過渡金屬，如鐵、鈷、鎳等。其中，鐵基催化劑因成本低、儲(chǔ)量豐富，在傳統(tǒng) Haber-Bosch 工藝中廣泛應(yīng)用，但在電催化體系下，其活性與選擇性有待提高。為改善性能，科研人員通過調(diào)控鐵基催化劑的微觀結(jié)構(gòu)，如制備納米級(jí)鐵顆粒、構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)等，增大活性位點(diǎn)暴露面積，提升反應(yīng)活性。此外，對(duì)鐵進(jìn)行合金化改性，引入其他金屬元素（如鉬、釕等），利用合金化產(chǎn)生的電子效應(yīng)與幾何效應(yīng)，優(yōu)化催化劑對(duì)氮?dú)饧爸虚g體的吸附與活化能力，顯著提高電催化氮?dú)膺€原合成氨性能。例如，有研究報(bào)道將鉬摻雜到鐵催化劑中，形成 Fe-Mo 合金催化劑，在特定電位下，氨產(chǎn)率與法拉第效率均得到明顯提升 。

      除過渡金屬外，貴金屬催化劑（如鉑、鈀、銠等）憑借其優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性與表面活性，在電催化合成氨中表現(xiàn)出良好潛力。其中，銠基催化劑對(duì)氮?dú)馕脚c活化能力較強(qiáng)，在優(yōu)化反應(yīng)條件下，可實(shí)現(xiàn)較高的氨產(chǎn)率與法拉第效率。然而，貴金屬儲(chǔ)量稀少、成本高昂，嚴(yán)重限制其大規(guī)模應(yīng)用。為解決這一問題，研究人員致力于開發(fā)負(fù)載型貴金屬催化劑，將貴金屬高度分散在高比表面積載體上，減少貴金屬用量的同時(shí)，提高其原子利用率與催化活性。例如，采用碳納米管、石墨烯等碳材料作為載體負(fù)載銠納米顆粒，制備的催化劑在保持高活性的同時(shí)，降低了成本，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景 。

3.1.2 金屬氧化物催化劑

      金屬氧化物具有電子結(jié)構(gòu)與化學(xué)穩(wěn)定性，在電催化合成氨領(lǐng)域逐漸受到關(guān)注。例如，三氧化鎢對(duì)氮?dú)饩哂袕?qiáng)吸附選擇性，常被用作電催化氮?dú)膺€原合成氨催化劑的載體。通過摻雜低電負(fù)性金屬元素（如鐵、釩等）進(jìn)行改性，可實(shí)現(xiàn)電子向鎢位點(diǎn)的有效轉(zhuǎn)移，改善鎢位點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對(duì)氮?dú)獾奈脚c活化能力，并加速產(chǎn)物氨的脫附。相關(guān)研究表明，鐵、釩雙摻雜三氧化鎢納米催化劑在電催化氮?dú)膺€原合成氨反應(yīng)中，展現(xiàn)出優(yōu)于單一催化劑的性能，氨產(chǎn)率與法拉第效率均有所提高 。

      此外，一些復(fù)合金屬氧化物也表現(xiàn)出良好的電催化合成氨性能。如尖晶石結(jié)構(gòu)的(Co3O4)，通過調(diào)控其晶體結(jié)構(gòu)與表面性質(zhì)，可優(yōu)化對(duì)氮?dú)饧爸虚g體的吸附與轉(zhuǎn)化過程。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)(Co3O4)進(jìn)行表面修飾或與其他材料復(fù)合，能進(jìn)一步提升其催化活性與選擇性。例如，將(Co3O4)與碳納米纖維復(fù)合，制備的復(fù)合材料在電催化合成氨反應(yīng)中，不僅增強(qiáng)了電子傳輸能力，還改善了催化劑與電解液的接觸，提高了反應(yīng)效率 。

3.1.3 非金屬催化劑

       隨著研究的深入，非金屬催化劑因其性能與優(yōu)勢(shì)，在電催化合成氨領(lǐng)域嶄露頭角。其中，碳基材料（如碳納米管、石墨烯、多孔碳等）具有高比表面積、良好的電子傳導(dǎo)性與化學(xué)穩(wěn)定性，且來源廣泛、成本低廉，成為研究熱點(diǎn)。通過對(duì)碳材料進(jìn)行雜原子摻雜（如氮、硼、磷等），可改變其電子結(jié)構(gòu)與表面性質(zhì)，引入活性位點(diǎn)，賦予其電催化合成氨能力。例如，氮摻雜石墨烯催化劑中，氮原子的引入打破了石墨烯原有的電子共軛結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生局部電荷不均，形成對(duì)氮?dú)庥形阶饔玫幕钚晕稽c(diǎn)，在電催化氮?dú)膺€原合成氨反應(yīng)中表現(xiàn)出一定活性 。

       此外，二維材料（如二硫化鉬、二硒化鎢等）也展現(xiàn)出電催化合成氨潛力。這些二維材料具有層狀結(jié)構(gòu)與電子特性，其表面原子配位不飽和，可作為潛在的活性位點(diǎn)吸附與活化氮?dú)夥肿?。研究表明，通過控制二維材料的層數(shù)、缺陷密度及邊緣結(jié)構(gòu)等，可有效調(diào)控其電催化性能。例如，少層二硫化鉬納米片在特定條件下，對(duì)電催化氮?dú)膺€原合成氨反應(yīng)具有較好的選擇性與活性，為開發(fā)新型非金屬催化劑提供了新思路 。

3.1.4 單原子催化劑

      單原子催化劑作為近年來催化領(lǐng)域的研究前沿，在電催化合成氨中展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。單原子催化劑將金屬原子以單個(gè)原子形式分散在載體表面，實(shí)現(xiàn)了金屬原子的最大原子利用率，同時(shí)其孤立的活性位點(diǎn)具有電子結(jié)構(gòu)與配位環(huán)境，可精準(zhǔn)調(diào)控對(duì)反應(yīng)物及中間體的吸附與轉(zhuǎn)化過程。例如，以氮摻雜碳材料為載體負(fù)載的單原子鐵催化劑，在電催化氮?dú)膺€原合成氨反應(yīng)中，表現(xiàn)出優(yōu)異的活性與選擇性。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表征表明，單原子鐵位點(diǎn)對(duì)氮?dú)夥肿泳哂休^強(qiáng)的吸附與活化能力，且能有效抑制析氫副反應(yīng)，促進(jìn)氨的生成 。

       此外，通過合理設(shè)計(jì)載體結(jié)構(gòu)與組成，可進(jìn)一步優(yōu)化單原子催化劑性能。如利用具有特定孔結(jié)構(gòu)與表面官能團(tuán)的載體，增強(qiáng)對(duì)單原子的錨定作用，提高催化劑穩(wěn)定性；或通過引入第二金屬原子形成雙單原子催化劑，利用雙原子間協(xié)同效應(yīng)，提升電催化合成氨效率。單原子催化劑的出現(xiàn)為電催化合成氨催化劑設(shè)計(jì)提供了全新視角，有望推動(dòng)該領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展 。

3.2 電極結(jié)構(gòu)與電解池設(shè)計(jì)

3.2.1 電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化

      電極作為電催化反應(yīng)的場(chǎng)所，其結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)性能影響顯著。傳統(tǒng)平板電極活性位點(diǎn)有限、傳質(zhì)效率低，難以滿足電催化合成氨高效反應(yīng)需求。近年來，科研人員致力于開發(fā)新型電極結(jié)構(gòu)，以提升電極性能。其中，三維多孔電極結(jié)構(gòu)備受關(guān)注，如構(gòu)建具有三維多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的整體式 Cu 納米線陣列電極，該電極最大限度地暴露了活性位點(diǎn)，增大了電極與電解液及反應(yīng)物的接觸面積，同時(shí)多級(jí)孔結(jié)構(gòu)有利于電解液擴(kuò)散與氣體傳輸，增強(qiáng)內(nèi)部傳質(zhì)效率。

      此外，通過在電極表面修飾納米結(jié)構(gòu)，如納米顆粒、納米線、納米管等，可進(jìn)一步增加活性位點(diǎn)數(shù)量，改善電極表面性質(zhì)。例如，在泡沫鎳電極表面生長(zhǎng)氧化鋅納米線陣列，制備的復(fù)合電極在電催化氮?dú)膺€原合成氨反應(yīng)中，對(duì)氮?dú)馕脚c活化能力增強(qiáng)，反應(yīng)活性顯著提高。同時(shí)，利用自支撐電極結(jié)構(gòu)，可避免使用傳統(tǒng)粘結(jié)劑帶來的電子傳輸阻礙與活性位點(diǎn)損失問題，提高電極整體性能與穩(wěn)定性 。

3.2.2 電解池設(shè)計(jì)創(chuàng)新

       電解池作為電催化合成氨反應(yīng)的核心裝置，其設(shè)計(jì)直接關(guān)系到反應(yīng)效率與能耗。傳統(tǒng)兩電極電解池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在反應(yīng)物利用率低、產(chǎn)物分離困難等問題。 為解決這些問題，科研人員開發(fā)了多種新型電解池結(jié)構(gòu)。例如，采用膜電極組件（MEA）的電解池，通過質(zhì)子交換膜將陽極與陰極隔開，可有效防止產(chǎn)物與反應(yīng)物交叉污染，提高反應(yīng)選擇性，同時(shí)促進(jìn)質(zhì)子傳輸，降低歐姆電阻，提高電解池能效。在硝酸鹽電催化還原合成氨反應(yīng)中，基于 MEA 的電解池在較低電壓下即可實(shí)現(xiàn)高電流密度運(yùn)行，氨生成速率與法拉第效率均得到顯著提升 。

       此外，流動(dòng)式電解池的出現(xiàn)為提高反應(yīng)物傳質(zhì)效率提供了新途徑。在流動(dòng)式電解池中，反應(yīng)物以流動(dòng)狀態(tài)通過電極表面，可及時(shí)補(bǔ)充消耗的反應(yīng)物，移除生成的產(chǎn)物，有效避免反應(yīng)物濃度極化問題，提高反應(yīng)速率與穩(wěn)定性。例如，將流動(dòng)式電解池應(yīng)用于電催化氮?dú)膺€原合成氨反應(yīng)，通過優(yōu)化反應(yīng)物流量與流速，可實(shí)現(xiàn)氨的連續(xù)高效生產(chǎn)，展現(xiàn)出良好的工業(yè)化應(yīng)用潛力 。同時(shí)，開發(fā)可充電式電解池系統(tǒng)，將電催化合成氨與儲(chǔ)能過程相結(jié)合，既能利用可再生能源谷電時(shí)段進(jìn)行合成氨反應(yīng)，又能在需要時(shí)釋放電能，提高能源利用效率，為電催化合成氨技術(shù)發(fā)展開辟了新方向 。

3.3 反應(yīng)條件的調(diào)控

3.3.1 電位控制

      電位是電催化合成氨反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)控參數(shù)之一，直接影響反應(yīng)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)過程。在不同反應(yīng)體系中，合適的電位窗口對(duì)提高合成氨效率與選擇性至關(guān)重要。以氮?dú)膺€原反應(yīng)為例，電位過低，反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力不足，氮?dú)怆y以被活化，氨產(chǎn)率低；電位過高，析氫副反應(yīng)加劇，消耗大量電能與活性位點(diǎn)，降低合成氨選擇性。研究表明，通過精確控制電位，可使反應(yīng)在優(yōu)條件下進(jìn)行。例如，在某些催化劑體系中，將電位控制在 - 0.2 - -0.4 V（vs. RHE）區(qū)間，可有效抑制析氫反應(yīng)，促進(jìn)氮?dú)馕脚c活化，實(shí)現(xiàn)較高的氨產(chǎn)率與法拉第效率 。

       此外，采用脈沖電位技術(shù)，在不同電位間周期性切換，可改變反應(yīng)物與中間體在催化劑表面的吸附與脫附行為，優(yōu)化反應(yīng)路徑，提高電催化合成氨性能。在一氧化氮還原合成氨反應(yīng)中，脈沖電位調(diào)控下，催化劑表面 NO 吸附與加氫過程協(xié)同性增強(qiáng)，有效減少了副產(chǎn)物生成，提升了氨的選擇性與生成速率 。

3.3.2 溫度與壓力影響

       盡管電催化合成氨可在常溫常壓下進(jìn)行，但適當(dāng)調(diào)控溫度與壓力，對(duì)反應(yīng)性能具有顯著影響。在一定范圍內(nèi)升高溫度，可加快反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率，促進(jìn)反應(yīng)物擴(kuò)散與吸附，提高電催化合成氨效率。然而，溫度過高會(huì)加劇析氫副反應(yīng)，同時(shí)可能導(dǎo)致催化劑結(jié)構(gòu)與性能發(fā)生變化，降低穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，在電催化氮?dú)膺€原合成氨反應(yīng)中，將溫度控制在 30 - 50℃，可在保證較高氨產(chǎn)率與法拉第效率的同時(shí)，維持催化劑穩(wěn)定性 。

      對(duì)于涉及氣體反應(yīng)物（如氮?dú)?、一氧化氮）的電催化合成氨反?yīng)，提高壓力可增加氣體在電解液中的溶解度，增強(qiáng)傳質(zhì)效率，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。例如，在高壓 - 電催化體系中，提高 NO 分壓，可增加其在溶液中的濃度，促進(jìn) NO 向催化劑表面擴(kuò)散與吸附，同時(shí)適度弱化催化劑與吸附態(tài) NO * 之間的相互作用，既促進(jìn) NO 加氫生成氨，又有效抑制析氫反應(yīng)。在一氧化氮電催化合成氨實(shí)驗(yàn)中，通過將 NO 分壓提升至一定范圍，氨的生成速率與法拉第效率均實(shí)現(xiàn)數(shù)倍增長(zhǎng) 。

3.3.3 電解液組成優(yōu)化

      電解液作為離子傳輸介質(zhì)，其組成對(duì)電催化合成氨反應(yīng)影響重大。不同電解液種類、濃度及 pH 值，會(huì)改變反應(yīng)界面性質(zhì)、離子遷移速率及反應(yīng)物與中間體的存在形式，進(jìn)而影響反應(yīng)性能。在電催化氮?dú)膺€原合成氨反應(yīng)中，常用的電解液有酸性（如硫酸溶液）、堿性（如氫氧化鉀溶液）及中性（如硫酸鈉溶液）。酸性電解液中質(zhì)子濃度高，有利于加氫步驟進(jìn)行，但對(duì)催化劑腐蝕性強(qiáng)；堿性電解液雖可抑制析氫反應(yīng)，但可能導(dǎo)致催化劑表面形成氫氧化物覆蓋層，影響活性位點(diǎn)暴露。研究表明，通過優(yōu)化電解液 pH 值，可在不同催化劑體系中找到最佳反應(yīng)條件。

四、電催化合成氨的技術(shù)挑戰(zhàn)

4.1 催化性能瓶頸

       低氨產(chǎn)率與法拉第效率：氮?dú)膺€原反應(yīng)（NRR）中，氮?dú)夥肿踊罨軌靖?，且與析氫反應(yīng)（HER）競(jìng)爭(zhēng)激烈，多數(shù)催化劑氨產(chǎn)率（通常低于 10?? mol?cm?2?s?1）和法拉第效率（多低于 50%）遠(yuǎn)低于工業(yè)化要求。即使是硝酸鹽還原（NO??RR）和一氧化氮還原（NORR）路徑，雖產(chǎn)率較高，但副產(chǎn)物（如 N?、N?O）生成仍難以抑制，選擇性提升受限。

催化劑穩(wěn)定性不足：電催化體系中，催化劑易受電解液腐蝕、中間體強(qiáng)吸附導(dǎo)致的活性位點(diǎn)中毒，或長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)后的結(jié)構(gòu)重構(gòu)（如納米顆粒團(tuán)聚），導(dǎo)致性能快速衰減。例如，金屬氧化物催化劑在酸性條件下易溶解，單原子催化劑在高電位下可能發(fā)生遷移或團(tuán)聚，穩(wěn)定性難以滿足長(zhǎng)期運(yùn)行需求。

4.2 反應(yīng)體系優(yōu)化難題

      傳質(zhì)效率限制：對(duì)于氣體反應(yīng)物（N?、NO），其在電解液中的溶解度極低（如 N?在水中溶解度僅約 0.025 mol/L），導(dǎo)致傳質(zhì)速率緩慢，成為反應(yīng)速率的 “瓶頸”。即使采用高壓體系提升溶解度，也會(huì)增加設(shè)備成本與能耗，與 “溫和條件” 優(yōu)勢(shì)相悖。

      產(chǎn)物分離成本高：氨在電解液中易溶解（如 20℃時(shí) NH?在水中溶解度約 520 g/L），且與電解液中的離子（如 OH?、H?）結(jié)合形成 NH??，導(dǎo)致產(chǎn)物分離需消耗額外能量（如蒸餾、離子交換），增加整體工藝成本。

4.3 工業(yè)化放大障礙

      能量轉(zhuǎn)化效率低：電催化合成氨的整體能量轉(zhuǎn)化效率（通常低于 30%）遠(yuǎn)低于傳統(tǒng) Haber-Bosch 工藝（約 60%），主要源于電解池歐姆損耗、過電位損失及產(chǎn)物分離能耗。若依賴可再生能源（如光伏、風(fēng)電），波動(dòng)的電能輸入還會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)穩(wěn)定性下降，進(jìn)一步降低效率。

        成本控制挑戰(zhàn)：高效催化劑（如貴金屬、單原子材料）的制備成本高昂，且電極與電解池系統(tǒng)的規(guī)模化生產(chǎn)工藝尚未成熟，導(dǎo)致單位氨產(chǎn)量的投資成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝，缺乏經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

五、未來發(fā)展展望

5.1 催化劑設(shè)計(jì)新方向

       精準(zhǔn)調(diào)控活性位點(diǎn)：結(jié)合理論計(jì)算（如密度泛函理論 DFT）與高通量篩選，設(shè)計(jì)具有 “電子結(jié)構(gòu)匹配” 的活性位點(diǎn)，例如通過雜原子摻雜（如 B、P 修飾碳材料）或單原子配位環(huán)境調(diào)控（如改變配位數(shù)、引入第二金屬原子），優(yōu)化對(duì) N?、NO??等反應(yīng)物的吸附能，同時(shí)抑制 HER 競(jìng)爭(zhēng)。例如，理論預(yù)測(cè)過渡金屬碳化物（如 WC）的 d 帶中心與 N?吸附能匹配，有望成為高效 NRR 催化劑。

      多功能復(fù)合催化劑：開發(fā) “活化 - 加氫 - 抗副反應(yīng)” 一體化催化劑，如核殼結(jié)構(gòu)催化劑（內(nèi)核負(fù)責(zé)活化 N?，外殼抑制 HER）、串聯(lián)催化劑（如 NO??先在第一活    性位點(diǎn)還原為 NO，再在第二位點(diǎn)加氫為 NH?），提升反應(yīng)選擇性與產(chǎn)率。

5.2 反應(yīng)體系創(chuàng)新

      新型電解池構(gòu)型：開發(fā)氣液固三相界面優(yōu)化的電解池，如采用氣體擴(kuò)散電極（GDE）提高氣體反應(yīng)物與催化劑的接觸效率，或引入離子液體、深共熔溶劑等替代傳統(tǒng)電解液，提升氣體溶解度與離子導(dǎo)電性。例如，GDE 結(jié)合疏水多孔結(jié)構(gòu)，可使 N?直接擴(kuò)散至催化劑表面，傳質(zhì)效率提升 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

      耦合工藝集成：將電催化合成氨與其他工藝耦合，如與 CO?還原耦合（生成 NH?和 CO 等化學(xué)品），或與可再生能源儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合（如利用光伏電力直接驅(qū)動(dòng)電解，實(shí)現(xiàn) “綠電 - 綠氨” 閉環(huán)），提升整體經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)性。

5.3 工程化與標(biāo)準(zhǔn)化探索

      建立統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：目前領(lǐng)域內(nèi)存在氨檢測(cè)方法（如靛酚藍(lán)法）易受干擾、活性數(shù)據(jù)計(jì)算方式不統(tǒng)一等問題，需制定標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試流程（如嚴(yán)格排除環(huán)境中 NH?污染、采用同位素標(biāo)記法驗(yàn)證產(chǎn)物來源），確保數(shù)據(jù)可靠性與可比性。

       低成本規(guī)模化制備：開發(fā)催化劑與電極的宏量制備技術(shù)，如噴霧熱解、水熱合成規(guī)?；a(chǎn)納米催化劑，或 3D 打印制備三維多孔電極，降低材料成本。同時(shí)，通過電解池模塊化設(shè)計(jì)（如堆疊式結(jié)構(gòu)），實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)甚至兆瓦級(jí)反應(yīng)系統(tǒng)的放大試驗(yàn)，積累工程化數(shù)據(jù)。

六、結(jié)論

        電催化合成氨作為一種綠色低碳的新型合成氨技術(shù)，在溫和條件下實(shí)現(xiàn)氮資源轉(zhuǎn)化的潛力巨大，但其發(fā)展仍面臨催化性能、體系優(yōu)化與工業(yè)化成本的多重挑戰(zhàn)。未來通過精準(zhǔn)設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的催化劑、創(chuàng)新反應(yīng)體系以提升傳質(zhì)與分離效率、并推動(dòng)工程化放大與標(biāo)準(zhǔn)制定，有望逐步突破技術(shù)瓶頸。隨著材料科學(xué)與電化學(xué)工程的深度融合，電催化合成氨技術(shù)將為全球氨的綠色生產(chǎn)、氮污染物資源化利用及 “雙碳” 目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供重要支撐，最終邁向工業(yè)化應(yīng)用的新階段。

產(chǎn)品展示

      SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)主要用于電催化反應(yīng)和光電催化劑的性能評(píng)價(jià)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)流和循環(huán)連續(xù)流實(shí)驗(yàn)，配置反應(yīng)液體控溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主要用于光電催化CO2還原反應(yīng)全自動(dòng)在線檢測(cè)系統(tǒng)分析，光電催化、N2催化還原，電催化分析、燃料電池、電解水等。

      SSC-PECRS電催化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)將氣路液路系統(tǒng)、光電催化反應(yīng)池、在線檢測(cè)設(shè)備等進(jìn)行智能化、微型化、模塊化設(shè)計(jì)并集成為一套裝置，通過兩路氣路和兩路液路的不同組合實(shí)現(xiàn)電催化分析，并采用在線檢測(cè)體系對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定性定量分析?？梢赃m配市面上多數(shù)相關(guān)的電解池，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求定制修改各種電催化池。