【摘要】 深度解析电化学氮还原反应机制，涵盖高效电催化剂设计、电解质优化策略及金属-N2电池技术，推动可持续能源发展

电化学催化技术正革新能源生产方式——通过地球上丰富的氮气（N₂）、水（H₂O）等资源，高效合成氨（NH₃）、氢气（H₂）及高价值化学品。在众多反应中，​电化学氮还原反应（NRR）​​ 因能实现绿色制氨而备受关注。与传统工业制氨相比，NRR技术利用可再生能源电力驱动反应，仅需氮气和水解离的质子，具备零碳排放潜力。

然而，NRR技术面临两大瓶颈：

1.​氮气吸附动力学缓慢​：N₂分子在催化剂表面吸附效率低

2.​析氢反应（HER）竞争​：更低的反应电位使HER优先于NRR发生

这导致氨产率与法拉第效率（FE）难以提升，制约工业化应用。

 

▍ 电催化剂的突破性设计

研究者通过开发四类高效电催化剂提升NRR性能：

  • ​贵金属基催化剂​（如Ru/Au）
  • ​非贵金属基催化剂​（Fe/Co基化合物）
  • ​无金属催化剂​（碳基材料）
  • ​单原子催化剂​（SACs）
    这些材料通过调控比表面积、孔隙结构及氮吸附能，显著加速N≡N三键断裂。

图1. 电化学制氨原理图及其在各行业的应用。[1]

 

图1展示水电化学制氨系统，其产出的氨燃料可广泛应用于：
① 农业化肥 ② 零碳发电 ③ 氢能运输载体 ④ 绿色交通燃料

 

▍ 电解质优化的双重效应

电解质体系对NRR性能具有颠覆性影响：

  • ​正效应​：特定离子液体可抑制HER副反应
  • ​负效应​：部分电解质会毒化活性位点
    研究证实，添加硫化物或氟化物添加剂可有效阻断质子传递路径，将氨产率提升3-5倍。

 

▍ 金属-N₂电池：新兴储能技术

基于NRR逆向反应开发的金属-N₂电池，成为能源存储新方向：

图2. 金属- N2电池及其在a、b非质子电解质和c、d碱性电解质中的充放电机理示意图[1]

 

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