【摘要】 综述电催化NRR制氨技术原理、过渡金属/非金属催化剂设计策略及产业化瓶颈，解析氮还原反应机理与系统优化方案，为低碳制氨提供学术参考。

氨作为化肥、无碳氢载体及清洁燃料的关键原料，其需求正持续增长。传统Haber-Bosch工艺因高能耗与高碳排放问题亟待革新。​电催化氮还原反应（NRR）​​ 凭借可再生电力驱动和常温常压操作的优势，成为绿色制氨技术的重要突破口。本文系统综述NRR技术原理、催化剂设计策略及工业化挑战，为领域研究提供方向性指导。

 

研究现状与技术对比

当前生物固氮、等离子体催化、光催化及电催化NRR等技术中，生物法受限于酶稳定性，等离子体需高能耗输入，光催化则面临太阳能转化效率低的瓶颈（图1）。相比之下，​电催化制氨技术因操作条件温和、可与风电/光伏等可再生能源耦合，成为最具产业化潜力的路线：

图1. 氨合成电催化NRR理论与实验突破时间表。[1]

 

催化剂设计核心策略

NRR电催化剂需同步解决氮气活化与析氢反应（HER）抑制两大难题（图2）。突破性进展集中于三类材料：

1.过渡金属催化剂​（Fe/Mo/Ti基）：高N≡N键裂解活性

2.主族元素催化剂​：可调电子结构，弱HER竞争

3.非金属催化剂​：独特表面吸附特性

通过杂原子掺杂、空位构建及界面工程等协同策略，可显著提升氨产率与法拉第效率​：

图2. 综合NRR系统的图解，包括基本原理、策略和传统的电催化剂。[1]

 

工业化瓶颈与未来方向

当前NRR技术的氨生成速率​（<10⁻⁶ mol cm⁻² h⁻¹）与选择性​（<30%）距工业化要求仍有差距。未来需聚焦：

  • 高通量筛选抗HER催化剂材料
  • 膜电极组件（MEA）系统优化
  • 原位表征技术解析反应路径
  • 风光电-电解槽耦合系统集成

 

参考文献：[1] Z. Huang, M. Rafiq, A.R. Woldu, Q.-X. Tong, D. Astruc, L. Hu, Recent progress in electrocatalytic nitrogen reduction to ammonia (NRR), Coordination Chemistry Reviews, 478 (2023) 214981.

 

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