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氨（NH₃）是一种重要的化学品，广泛应用于化肥、制药和炸药等领域。近年来，NH₃因其作为无碳燃料和氢载体的潜力而备受关注。然而，传统的Haber-Bosch合成工艺依赖于化石燃料制氢，需在高温（>723 K）高压（>15 MPa）条件下运行，不仅能耗高，还造成超过1.2%的全球CO₂排放。此外，该工艺需要集中化生产，增加了NH₃的运输和分配成本。因此，实现温和条件下的高效NH₃合成成为当前的研究热点和挑战。
为了解决这一问题，韩国科学技术院Minkee Choi教授团队合作在Nature Catalysis期刊上发表了题为“Electron and proton storage on separate Ru and BaO domains mediated by conductive low-work-function carbon to accelerate ammonia synthesis”的最新论文。
该团队设计了一种基于Ba–Ru/碳的催化体系，通过在导电碳载体上引入BaO，构建了独特的电子/质子储存结构，实现了高效的NH₃合成。研究发现，在H₂气氛下，H₂在Ru表面解离生成H原子，并进一步极化形成H⁺/e⁻对。其中，H⁺沿碳表面迁移并与BaO中和，而e⁻则富集在Ru/碳催化剂中。这种电子富集效应显著增强了Ru的π-反向供电子能力，有助于N₂的活化，并有效抑制H₂中毒问题。
此外，该团队通过调控碳载体的功函数，发现低功函数的N掺杂多壁碳纳米管（MWNT）能够进一步促进电子向Ru的转移，从而大幅提升催化性能。优化后的Ba–Ru/N-MWNT催化剂在573 K、10 bar条件下，其NH₃合成活性较传统Ba–Ru/MgO催化剂提高了7.4倍。
(1) 本研究首次提出利用Ru和BaO在导电碳上的协同作用，通过碳的导电性实现电子（e⁻）和质子（H⁺）的分离存储，类似于NH₃合成条件下的化学电容器，从而增强NH₃合成催化活性。
(2) 实验通过以下机制揭示了催化活性提升的本质：
H₂在Ru表面解离产生H原子，H原子极化形成H⁺/e⁻对。
H⁺沿着导电碳表面迁移并中和BaO，而e⁻则积累在Ru/碳界面，从而提高Ru的电子密度。
随着碳的功函数降低，Ru中电子进一步富集，增强了π-反向供电子效应，促进N₂活化并抑制H₂毒害。
采用最低功函数的N掺杂多壁碳纳米管（MWNT）作为载体，可显著提高NH₃合成活性，其催化性能是基准Ba–Ru/MgO催化剂的7.4倍。
图 1. NH3合成过程中BaO对Ru的氢辅助电子赋能。
图 2. Ba-Ru/碳催化剂的合成与表征。
图 3. Ru催化剂NH3合成性能的研究。
图 4. H+和e-在BaO和导电Ru/碳的分离储存。
图 5. BaO负载对催化剂长期稳定性的影响。
本研究揭示了NH₃合成过程中Ru和BaO在导电碳载体上的协同作用，并提出其本质可类比为化学电容器，其中Ru和BaO分别存储电子（e⁻）和质子（H⁺）。这一机制挑战了传统BaO电子促进效应的简单感应理论，指出其实际来源于电荷存储和分布调控。特别是，低功函数碳载体能够增强Ru的电子富集效应，从而促进N₂活化并抑制H₂中毒，显著提升NH₃合成活性。
本研究不仅深化了对催化剂电子结构调控的理解，也为NH₃合成催化剂的设计提供了新思路。未来，开发具有更低功函数和更高结晶度的纳米结构碳材料，将有望进一步提升催化剂的活性和稳定性。此外，该电荷存储机制或可推广至其他涉及电子转移的催化反应体系，为催化科学和材料设计提供新的理论依据和实验指导。
Baik, Y., Chi, S., Lee, K. 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). https://doi.org/10.1038/s41929-025-01302-z
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