DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64464-X
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前言
近日，《催化学报》在线发表了电子科技大学孙旭平教授团队在电催化合成氨领域的最新Account文章。该工作总结了近年来电催化NRR/NORR/NtrRR制氨高效催化剂的最新研究进展，主要涉及催化机理、理论计算和电化学性能等方面。论文第一作者为：欧阳玲，论文共同通讯作者为：孙旭平教授和应斌武教授。
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背景介绍
氨是化肥、药品和精细化学品中的核心成分，同时也是一种理想的无碳燃料。传统Haber-Bosch工艺实现了氨的大规模工业化生产，但该过程在极苛刻的条件(高温高压)下进行，伴随着高能耗和大量CO2的排放，不符合实现全球“碳中和”的发展要求。因此，探索绿色和可持续的氨合成技术，同时实现全球环境的可持续性势在必行。近年来，电催化氮还原（NRR）合成氨备受关注，该技术可以在环境条件下进行，利用电子作为绿色还原剂，水作为质子源。此外，该过程具有实现分散和现场按需生产氨的巨大潜力，支持分布式肥料生产，从而降低运输成本。除了N2作为氮源，对环境有害且活性高于N2的氮物种(如NO、NO2−/NO3−)也被认为是实现环境条件下生产氨的有吸引力的氮源，电催化NO还原(NORR)和NO2−/NO3−还原(NtrRR)合成氨具有应用潜力。开展电催化合成氨领域的研究有望以绿色和可持续的方式缓解环境污染和未来的能源问题。
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本文亮点
本文全面论述了三种电催化合成氨路线(NRR, NORR和NtrRR)的研究背景和意义，并系统总结了近年来电催化合成氨催化剂的最新研究进展，主要涉及催化机理、理论计算和电化学性能等方面。最后，对人工电催化合成氨领域当前面临的挑战和未来的研究需求作了总结和展望。
图1. 基于N2、NO和NO2−/NO3−还原的电催化NH3合成示意图。
要点：
人工电催化合成氨可以与清洁的可再生电力相结合，是一种节能、可持续的调节氮物种再循环的方法，同时促进循环氮经济的增长。在此基础上，我们系统总结了电催化合成氨电催化剂的最新研究进展。
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总结展望
在可再生能源驱动下，电催化合成氨这一领域的研究取得了相当大的进展，但仍存在一些问题和挑战，综述总结了该领域一些可能的未来研究需求，希望为电催化合成氨反应提供理论参考和激发更多关键的见解，概括如下：
（1）注重理论计算。通过理论计算可以提前预测可能的活性位点、吸附能和反应途径，有助于快速筛选合适的催化剂，大大降低实验成本；
（2）发展先进的原位表征技术来观察电催化剂表面上的动态变化和捕获/识别反应中间体，促进对真实反应机理的探索，从而进一步指导催化剂的设计；
（3）确保数据的准确性和可重复性；
（4）合理设计有效的电催化剂。为了进一步提高现有材料体系对氨合成的催化性能，需要开发更高效的材料设计策略（如精确调节单原子金属的配位环境、掺杂原子/空位的类型和浓度、合理暴露特定的晶体面等），以促进电催化剂的内在活性。此外，通过优化电催化剂的形态，构建特殊的结构（如尖刺），可以暴露丰富的活性位点，显著提高其表观活性；
（5）在研究特定的电极材料时，除材料工程外，明确实验条件也至关重要，包括电解质的pH值、应用电位、氮物种的初始浓度等，这些测试条件的不统一不仅使各种催化剂的电化学性能无法进行比较，而且可能会影响催化活性和选择性；
（6）文献中报道的稳定性测试通常在50 h以下，对于工业运行（预计在高电流密度下可以稳定运行数千小时）来说，时间太短。因此，未来的催化剂设计需要以更长的测试时间为目标；
（7）未来的研究应进一步探索真实环境下NORR/NtrRR的催化活性，以实现更高效的氨合成；
（8）应开发一种可替代的氨分离技术。在传统的Haber-Bosch工艺中，通过冷凝，氨从未反应的N2和H2中分离出来，耗能大，因此应采用比冷凝工艺能量输入更少的分离技术；
（9）从实际应用的角度出发，还应考虑综合的技术经济评估，包括材料成本、总能源成本、设备维护成本、产品分离成本等，以评估氨电合成的大规模可扩展性和商业可行性。
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作者介绍
孙旭平，电子科技大学基础与前沿研究院教授。2006年毕业于中国科学院长春应用化学研究所，获博士学位。2006-2009年期间先后在康斯坦茨大学、多伦多大学和普渡大学从事博士后研究工作，2010年1月加入长春应化所，2015年11月到四川大学工作，2018年4月加入电子科技大学。入选四川省学术和技术带头人（2018）、英国皇家化学会高被引作者（2017-2020）、化学领域中国高被引学者（2018-2019）、材料科学领域中国高被引学者（2020-2021）、化学和材料科学领域全球高被引科学家（2018-2020）、全球顶尖前10万科学家(2020-2022)、英国皇家化学会会士（2020）。发表论文600余篇，总引用次数60000余次，H指数132。长期致力于纳米功能材料设计、结构调控及催化和传感应用研究，目前主要围绕碳中和开展研究，重点聚焦于绿氢及绿氨电化学合成、汽车尾气及工业废水电化学脱硝等。
课题组链接：
https://www.math-engineering.uestc.edu.cn/sunxuping/zh_CN/index/190552/list/index.htm
应斌武，四川大学华西医学技术学院副院长，华西临床医学院医学检验系/华西医院实验医学科主任，博士研究生导师。第十二批四川省学术和技术带头人，2022年教育部宝钢优秀教师奖获得者，第三届国之名医（青年新锐）获得者，四川省抗击新冠肺炎疫情先进个人，四川大学优秀青年学者基金获得者，四川大学五粮春优秀青年教师奖获得者。主要从事于感染性疾病的分子诊断学研究。负责5项国家自然科学基金（区域创新重点项目、面上项目等）、2项科技部重大专项子课题、1项教育部博士点新教师基金、3项四川省科技厅重点研发计划/科技支撑项目等，累计科研经费2600余万元。已发表论文200余篇，其中以第一作者/通讯作者发表SCI论文161篇（27篇中科院一区，23篇 IF>10），累计影响因子达917分，总他引2900余次，H指数27。获国家发明专利10项。获四川省科技进步奖一等奖1项，四川省医学会医学科技（青年奖）一等奖1项，成都市科技进步二等奖1项。
课题组链接：
http://www.wchscu.cn/expertlist/detail/57112.html
文献信息：
Ling Ouyang, Jie Liang, Yongsong Luo, Dongdong Zheng, Shengjun Sun, Qian Liu, Mohamed S. Hamdy, Xuping Sun *, Binwu Ying *, Chin. J. Catal., 2023, 50: 6–44
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