第一作者：楚凯斌
通讯作者：翁波 研究员，韩宁 博士
通讯单位：中国科学院城市环境研究所 多伦多大学
论文DOI：https://doi.org/10.1002/advs.202416053
本文综述了电化学合成氨（EAS）领域的最新进展，重点探讨了通过多维结构优化和调控机制提升氨合成效率的策略。文章详细分析了三种主要的EAS路径：氮气还原（eN
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RR）、一氧化氮还原（eNORR）和硝酸盐还原（eNO
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RR），并讨论了催化剂设计、反应环境优化等方面的挑战与前景。通过空位工程、晶面设计、杂化工程、相工程和配位环境调控等策略，显著提高了氨的产率和法拉第效率。文章还展望了未来研究的方向，强调了标准化测试、原位表征技术和机器学习在催化剂开发中的重要性。
氨（NH
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）因其高能量密度（4.32 kWh L
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）、丰富氢含量（17.6 wt.%）以及较高的液化温度（-33 °C），在农业、医疗和能源领域得到了广泛应用，被视为碳中性燃料和氢储存材料。目前，NH
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的主要合成方法是通过Haber-Bosch（H-B）工艺，该工艺需要在高温（350-450 °C）和高压（100-200 bar）条件下运行，能耗较高（占全球年能耗的1%），并伴随着大量CO
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排放（超过全球的1.4%）。为应对能源与环境挑战，开发绿色可持续的NH
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合成技术显得尤为重要。例如，可以利用电解水制备的绿氢替代天然气制氢，进而应用在H-B工艺中。然而，这种方法仍需解决电解水能效、低压H-B工艺及NH
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分离等方面的挑战。EAS因其采用电能驱动，能够在更温和条件下（低温、低压）操作，并且可以利用太阳能或风能发电，同时以水为质子源，不受天然气供应限制。尽管如此，由于反应涉及复杂中间产物和缓慢动力学过程，EAS面临产率低和选择性差的问题。例如，eN
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RR以空气中的氮气为氮源，但由于氮气分子中的氮氮三键极其稳定（941 kJ mol
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）且氮气在水中的溶解度低，导致反应活性受限。类似地，使用其他含氮化合物（如NO、NO
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-
和NO
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-
）作为氮源的EAS也面临产率低和选择性差的挑战。为了推动绿色NH
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合成工业化，需进一步突破这些技术瓶颈。
本文综述了EAS的多维结构优化与调控机制，重点关注催化剂设计和反应环境优化在提高NH
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合成效率中的作用。文章首先讨论了三种主要的电化学合成NH
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路径：eN
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RR、eNO
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RR和eNORR，详细分析了每种路径的反应机理、中间产物及面临的挑战。
在催化剂设计方面，文章探讨了多种策略，包括空位工程、晶面设计、杂化工程、相工程和配位环境调控。通过引入氧空位、硫空位和氮空位等，优化催化剂的局部电子结构和配位环境，增强氮气或硝酸根的吸附和活化能力；通过暴露特定晶面和构建异质结界面，优化反应路径中的速率决定步骤，提升催化剂活性；通过设计非晶态催化剂和调控单原子催化剂的配位环境，增加活性位点数量，优化中间产物的吸附能，提升反应活性。此外，文章还强调了理论计算在催化剂设计中的重要作用，特别是密度泛函理论、分子动力学模拟和COMSOL物理场模拟在揭示反应机理和优化催化剂性能中的应用。文章还探讨了其他策略，如电解液设计、反应器设计和质子穿梭剂设计，通过优化电解液组成和电解池设计，抑制副反应，提升氨的产率和选择性。
本文综述了EAS的三种主要途径：eN
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RR、eNORR和eNO
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RR，并探讨了通过多维结构优化策略提高氨产率和法拉第效率（FE）的方法。尽管近年来在电催化剂设计和反应环境优化方面取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。
首先，eN
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RR的主要挑战在于氮气分子的高惰性和低溶解度，导致氨产率和FE较低。未来的研究应注重严格的对照实验，确保实验结果的可靠性，并开发适用于eN
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RR的基准催化剂。此外，利用原位表征技术揭示反应中间体的动态变化，将有助于深入理解反应机制，进一步指导催化剂的设计与优化。多步氮气固定策略，如等离子体驱动的氮气氧化与电化学还原相结合，可能为高效氨合成提供新思路。其次，eNORR的研究尚处于早期阶段，反应路径复杂，涉及多种中间产物。未来的研究应注重开发高效的催化活性位点，利用原位光谱技术监测反应中间体的动态演变，并结合同位素示踪和理论计算，揭示反应机制。此外，开发电化学装置（如气体扩散电极和流动电池）有望实现大规模废气处理和资源回收。最后，eNO
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RR的研究需建立标准化的性能评估体系，特别是硝酸盐浓度的选择应根据不同应用场景进行调整。此外，催化剂在反应过程中的自重构现象应引起重视，避免对活性位点的误判。结合原位表征技术和理论计算，将有助于准确识别反应路径和活性位点，推动高效催化剂的设计。
总体而言，EAS技术在可持续发展和环境保护方面具有巨大潜力。未来的研究应继续优化催化剂设计、反应器结构和电解质配方，推动该技术向工业化应用迈进。
K. Chu, B. Weng, Z. Lu, Y. Ding, W. Zhang, R. Tan, Y.-M. Zheng, N.
Han, Exploration of Multidimensional Structural Optimization and Regulation
Mechanisms: Catalysts and Reaction Environments in Electrochemical Ammonia
Synthesis. Adv. Sci. 2025, 12, 2416053.
https://doi.org/10.1002/advs.202416053
楚凯斌
，
临沂大学材料科学与工程学院讲师，2023年博士毕业于江南大学。至今已在
J. Am. Chem. Soc.、Angew.
Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv.
Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.
等高水平期刊上发表35篇论文。以第一作者/通讯作者，在
J. Am. Chem. Soc.、Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.
等期刊上发表了论文13篇。申请中国/美国发明专利9项，其中授权中国专利6项，美国专利获授权1项，主持相关项目2项。研究方向主要集中在钙钛矿/功能性有机多孔材料的设计及其在电催化合成氨领域的应用，以及智能水凝胶复合材料在光催化领域的应用。
翁波，
项目研究员，中国科学院BR计划候选人，福建省引进高层次创业创新人才（百人计划），福建省高层次人才，欧盟玛丽居里学者，比利时FWO研究学者。2018年博士毕业于福州大学能源与环境光催化国家重点实验室，毕业后分别在厦门大学和比利时鲁汶大学从事博士后研究工作。2024年加入中国科学院城市环境研究所，主要从事能源与环境光/电催化。近年来，已在SCI收录专业期刊发表论文79篇，SCI引用5248次（Google Scholar），h指数36。其中以第一作者或通讯作者在Nat.
Rev. Clean Technol. Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nat. Commun.，ACS Catal.，Adv. Sci.,等期刊发表论文40篇；2篇文章入选ESI 0.1%热点论文，7篇论文入选ESI 1%高被引论文。受邀担任NPJ Clean Water期刊编委；Chem, Carbon Energy,
EcoMat, EcoEnergy等期刊青年编委。担任Adv. Funct. Mater, Carbon
Energy, ChemSusChem, RSC Mater. Adv.等期刊客座编辑。被评为2021年度英国皇家化学学会J. Mater. Chem. A期刊新锐科学家（Emerging
Investigator）。受邀担任国家自然科学基金，欧盟玛丽居里博士后基金项目评审专家。同时担任Nat.
Water, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater. Adv.
Energy Mater.等国际期刊审稿人。
韩宁
，加拿大多伦多大学A3MD博士后研究员(导师Edward H Sargent)，目前主要研究方向为利用人工智能加速催化材料的发现，以用于可再生燃料的生产。近年来收录高水平论文60余篇，被引用超过5000余次，h-index
38。受邀担任Carbon Energy, InfoMat, Nano Materials Science,
Rare Metals等期刊副主编/编委/青年编委。入选2022年中国国家优秀自费留学生奖，2023国际电化学学会(ECS)优秀学生奖(每年10人)，2023-2024连续入选斯坦福全球2%顶尖科学家榜单，荣获2025年英国皇家化学会新锐科学家 (J. Mater. Chem. A), 2025年国际先进材料协会IAAM奖章等。
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