化学与化工学院李晋平教授团队刘光课题组

在《Angewandte Chemie》发表电催化氮还原合成氨领域最新研究成果

近日，我校化学与化工学院李晋平教授团队刘光课题组在电催化氮还原合成氨领域取得重要研究进展。在著名学术期刊《Angewandte Chemie》上发表题为“Breaking the Performance Limit of Pure Metals for N₂ Electroreduction”的研究论文。论文通讯署名第一单位为太原理工大学，通讯作者为太原理工大学刘光教授、李晋平教授和怀柔实验室山西研究院孙予罕研究员，论文第一作者为2023级博士生张谭。研究工作获得国家自然科学基金的资助。

氨（NH₃）作为现代农业的基石和潜在的高能量密度氢载体，其主要依赖高能耗、高碳排放的哈伯-博世工艺生产。电化学氮气还原（NRR）则作为一种有前景的分布式产氨途径，耦合可再生能源在常温常压下利用N2和H2O即可合成氨。然而，对于纯金属NRR催化剂存在固有的限制：氮气在水体系中的溶解度极低，且传统块体金属催化剂表面对H2O/*H吸附较强。而高的*H覆盖度则会优先触发析氢反应（HER），严重抑制了NRR。目前，提升电极-电解质界面N2浓度的策略包括：在催化剂表面组装功能化有机层（如MOF，疏水单分子层等）以及气体扩散电极（GDE）。对于前者，虽可提升N2浓度但严重依赖于溶解的N₂无法实现高电流密度。而对于后者虽改善了气体传输但也面临溢流导致的孔堵塞以及活性位点的损失。

基于此，我们提出了一种通用的微纳工程策略，成功解决了电催化合成氨中N2可及性受限和*H竞争吸附的双重挑战。通过构筑自支撑中空纤维，实现了局部N2富集并优化了*N2与*H的覆盖度，从而显著促进N≡N键活化并抑制析氢副反应。其中， Fe HF实现了27.1 µg h⁻¹ cm⁻²的氨产率和3.5%的法拉第效率，其性能较Fe平板电极提升两个数量级。且该策略在Cu、Ni等过渡金属体系均表现出普适性。本研究不仅为可持续氨生产提供了可放大的电极设计平台，同时也为气体小分子催化转化的催化剂设计提供了新的维度。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202514028