氨（NH₃）作为一种重要的化学品，广泛应用于肥料、制药和炸药的生产。近年来，氨因其作为碳中性燃料和氢载体的潜力而受到关注。传统的氨合成依赖于哈伯-博施（Haber-Bosch）工艺，该工艺依赖于化石燃料生产的氢气，需要高温高压条件（>723 K，>15 MPa），并且会产生大量的二氧化碳排放。
因此，开发更可持续的氨合成方法，特别是在温和条件下（<573 K，<2 MPa）实现氨的高效合成，具有重要的科学和实际意义。
韩国科学技术院Minkee Choi团队
展示了通过导电碳连接的Ru（钌）和BaO（氧化钡）可以在氨合成条件下分别存储电子（e⁻）和质子（H⁺），类似于化学电容器的功能。在Ru表面解离的氢原子极化为H⁺/e⁻对，随后H⁺通过碳表面迁移至BaO中和，而e⁻则在导电的Ru/碳中积累。随着碳的功函数降低，Ru逐渐富集电子，从而通过π-反馈增强氮气的活化能力，并缓解氢气中毒现象。使用氮掺杂的多壁碳纳米管（N-MWNT）制备的优化催化剂表现出最低的功函数，其活性比参考Ba-Ru/MgO催化剂高出7.4倍。结果表明，催化剂内部的电荷分布在反应条件下可以显著改变，其合理调控能够实现高效氨合成催化剂的设计。该工作以“
Electron and proton storage on separate Ru and BaO domains mediated by conductive low-work-function carbon to accelerate ammonia synthesis
”为题，发表在
Nature Catalysis
期刊上。
1.
电子和质子的分离存储
：研究发现，通过导电的低功函数碳连接的Ru（钌）和BaO（氧化钡）可以在氨合成条件下分别存储电子（e⁻）和质子（H⁺），类似于化学电容器的功能。
2.
氮化碳的优化
：通过氮掺杂的多壁碳纳米管（N-MWNT）作为载体，实现了最低的功函数，从而显著提高了催化剂的活性，其氨合成活性比传统的Ba-Ru/MgO催化剂高出7.4倍。
3.
催化剂稳定性的提升
：研究发现，氮掺杂的碳纳米管载体具有高结晶度，使得催化剂在长期反应中表现出优异的热化学稳定性，即使在低纯度反应气体和更高温度条件下也能保持稳定。
1.
电子和质子的分离与迁移
：文章通过实验揭示了在导电碳载体上，H₂解离产生的H⁺和e⁻可以分别被BaO和Ru存储，解决了传统催化剂中电子和质子迁移受限的问题。
2.
催化剂活性与稳定性的平衡
：通过低功函数的氮化碳载体，实现了电子富集的Ru，从而提高了氮气的活化能力，同时避免了BaO对Ru活性位点的覆盖，解决了传统催化剂中活性与稳定性的矛盾。
3.
功函数对催化性能的影响
：文章证明了碳载体的功函数是影响氨合成活性的关键因素，低功函数的碳载体能够更有效地将电子转移到Ru上，从而提高催化剂的整体性能。
1.
可持续氨合成
：该研究为开发在温和条件下高效合成氨的催化剂提供了新的思路，有助于推动分布式氨合成与可再生氢气生产的结合，实现更可持续的氨生产。
2.
工业应用潜力
：通过优化催化剂的设计，可以在降低能耗和减少二氧化碳排放的同时，提高氨合成的经济可行性，具有潜在的工业应用价值。
3.
其他催化反应的启示
：这种基于电子和质子分离存储的催化机制可能为其他需要高效电子转移和质子迁移的催化反应提供借鉴，例如甲醇合成、氢气储存等。
原文信息：
Y. Baik, S. Chi, K. Lee,
et. al
., Electron and proton storage on separate Ru and BaO domains mediated by conductive low-work-function carbon to accelerate ammonia synthesis,
Nat. Catal.,
2025
, doi.org/10.1038/s41929-025-01302-z.
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41929-025-01302-z
