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撰文丨王聰
編輯丨王多魚
排版丨水成文
120 年前的哈伯法合成氨(通過氮氣和氫氣合成氨的方法)徹底改變了化肥的生產(chǎn)方式,至今仍是合成氨的主要來源。然而,該方法需要苛刻的反應(yīng)條件,化學(xué)家們?nèi)栽趯ふ夷茉诟咏覝丶俺簵l件下運(yùn)行的方法。
電化學(xué)鋰(Li)介導(dǎo)的氮氣(N?)還原,能夠在環(huán)境溫度和壓力下實現(xiàn)氨(NH?)的生產(chǎn),為減少化工行業(yè)的碳排放提供了一條途徑。然而,氨的生產(chǎn)率通常受到固體電解質(zhì)界面(Solid Electrolyte Interphase,SEI)處鋰離子脫溶和擴(kuò)散緩慢的限制。
2026 年 2 月 12 日,上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心李俊團(tuán)隊聯(lián)合蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院程濤團(tuán)隊,在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science上發(fā)表了題為:Enhanced Li-ion diffusion improves N?-to-NH? current efficiency at 100 mAcm?2的研究論文。
該研究通過對固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)設(shè)計的優(yōu)化,以增強(qiáng)此過程中鋰離子的通量,從根本上解決了鋰介導(dǎo)氮氣還原法(Li-NRR)合成氨的核心動力學(xué)限制,在每平方厘米 100 毫安的電流密度下提高了整體性能,將合成氨從傳統(tǒng)的高溫高壓、高碳排放的哈伯法合成氨,轉(zhuǎn)向溫和的、可再生的電化學(xué)驅(qū)動,是邁向綠色氨經(jīng)濟(jì)的重要一步。
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在這項最新研究中,研究團(tuán)隊攻克了鋰介導(dǎo)氮氣還原法(Li-NRR)合成氨的一個關(guān)鍵瓶頸,實現(xiàn)了在常溫常壓下高效、穩(wěn)定地生產(chǎn)(NH?),為化工行業(yè)脫碳提供了一條有前景的技術(shù)路徑。
傳統(tǒng)方法的氨產(chǎn)率受限于鋰離子在固體電解質(zhì)界面(SEI) 中的去溶劑化過程緩慢擴(kuò)散速率低。研究團(tuán)隊設(shè)計了一種全新的、分層的 SEI 結(jié)構(gòu),這個結(jié)構(gòu)像精心設(shè)計的“高速通道”,包含兩種功能層——低離子親和力層,促進(jìn)鋰離子快速脫離溶劑分子的束縛(去溶劑化);高離子電導(dǎo)率層:讓去溶劑化的鋰離子能夠極速通過。
這種協(xié)同設(shè)計將鋰離子通量提高了兩個數(shù)量級(約 100 倍),為氮氣(N?)還原反應(yīng)提供了充足的原料。
在特定的電解液(2M LiDFOB)中,該技術(shù)實現(xiàn)了——
- 高法拉第效率:98%(意味著幾乎所有電流都用于生成氨,副反應(yīng)極少)。
- 高電流密度:100 mA cm?2(表明反應(yīng)速度非常快,具備工業(yè)化放大的潛力)。
- 高能源效率:21%
- 出色穩(wěn)定性:能夠持續(xù) 40 小時保持80%的法拉第效率。
這項工作通過巧妙的界面工程(SEI 設(shè)計)從根本上解決了 Li-NRR 的核心動力學(xué)限制,是邁向綠色氨經(jīng)濟(jì)的重要一步。將合成氨從傳統(tǒng)的高溫高壓、高碳排放的哈伯法,轉(zhuǎn)向溫和的、可再生的電化學(xué)驅(qū)動,對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重大意義。
論文鏈接:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw5462
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