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西华-江明航&南大-金钟等Chem：用于电化学合成氨的有效N2活化策略

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-18 08:36

正文

▲第一作者：江明航

通讯作者：蒋珍菊*，廖雪梅*，金钟*，黎晓*

单位：西华大学，南京大学，玉林师范学院

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102441

氨（ NH ₃ ）是用于生产含氮肥料和药品的重要基础原料之一。目前，工业上合成氨主要通过在高温（ 400–500 °C ）和高压（ 150–300 atm ）条件下的 Haber-Bosh 工艺进行合成。 Haber-Bosh 工艺合成氨存在能耗大和环境污染严重等问题。因此，亟待研发反应条件温和，绿色可持续的合成氨技术。利用可再生电力驱动，以氮气（ N ₂ ）为反应原料合成氨（ NH ₃ ），为实现人工固氮提供了一条有前景的途径。然而，该过程中氮气分子的活化这一关键步骤仍然面临挑战。然而，对于键能极高的 N ₂ 分子，仅凭催化剂的合理设计往往难以实现有效活化，这一瓶颈严重制约了电催化合成氨反应的效率。因此，亟待开发有效的 N ₂ 活化策略用于提升电化学合成氨效率。

图 1. 通过 Li/Ca 介导 N ₂ 还原或 Plasma 辅助电化学合成氨反应原理示意图

近年来，在开发有效 N ₂ 活化策略，比如通过锂（ Li ） / 钙（ Ca ）介导 N ₂ 还原和等离子体辅助电化学合成氨等方面取得了显著进展。上述技术涉及将惰性的氮气转化为键能更低的含氮物种（ Li _x N _y H _z , Ca _x N _y H _z 或 NO _x ），随后，含氮物种进一步转化以生成氨。本文系统介绍了近年来在以 N ₂ 为反应原料的电化学合成氨中的氮气活化策略，主要包括金属（锂 / 钙）介导策略和等离子体辅助技术的发展现状，作用机制和当前面临的挑战。本文旨在为开发有效氮气活化策略用于电化学合成氨领域，提供重要参考和激发更多 N ₂ 活化的创新灵感，从而显著推动以 N ₂ 为反应原料的电化学氨合成技术的发展和应用。

【作者简介】

江明航，理学博士，副教授，硕士生导师。 2022 年 7 月起任教于西华大学理学院，主要从事用于电催化碳 / 氮能源转化的金属基纳米材料的结构设计及反应机制研究。近年来，主持四川省自然科学基金青年基金项目 1 项。已在国际学术期刊发表 SCI 论文 48 篇，总被引 1400 余次， H 因子 22 。以第一 / 通讯作者在 Chemical Society Reviews （ IF=40.4, 1 篇） , Chem （ IF=19.1, 1 篇） , Environmental Science & Technology （ IF=10.4, 1 篇）， Advanced Functional Materials （ IF=18.5, 2 篇） , ACS Nano （ IF=15.8, 1 篇） , Nano Letters （ IF=9.6, 4 篇） , Nano Energy （ IF=16.8, 1 篇）和 Journal of Hazardous Materials （ IF=12.2, 1 篇）等期刊上共发表论文 19 篇 , 其中自然指数期刊论文 8 篇， ESI 高被引论文 4 篇，热点论文 2 篇。担任学术期刊 «Frontiers in Chemistry» 和 «Frontiers in Materials» 的评论编辑和客座编辑。

金钟， 南京大学教授、博导，现担任南京大学绿色化学与工程研究院执行院长、天长新材料与能源技术研发中心主任。 2003 年和 2008 年分别获得获北京大学化学与分子工程学院学士和博士学位。 2008-2014 年先后在美国 Rice 大学和麻省理工学院进行博士后研究。 2014 年起任教于南京大学，先后入选了国家海外青年人才、国家优青、国家级领军人才。主要研究方向是清洁能源转换与存储材料的结构设计、机理研究和器件应用。已在 Nature Chem. 、 Nature Commun. 、 J. Am. Chem. Soc. 、 Angew. Chem. 、 Adv. Mater. 、 Matter 、 PNAS 等学术期刊发表 SCI

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