疯狂灌水，敢说真话！Nature子刊怒怼电化学合成氨！

纳米人

2020-11-09

氨作为一种液化可再生能源的能源载体正在引起全球的关注。电化学N₂还原（NRR）被公认为是传统的Haber-Bosch生产氨的替代方法。目前考虑的N₂到NH₃电化学转化的模式可以暂时分为两大类：

i）直接电催化还原；

ii）氧化还原介导的电还原。

可以基于操作温度，所使用的电解质/溶剂系统的类型，所使用的质子源以及基于与每种模式相关的一系列其他特定参数来进一步将二者分类。

研究人员对使用含水电解质的具有高度技术吸引力的直接氮还原反应（NRR）进行了最深入的研究，这避免了使用高温，易燃和有毒的溶剂，并且理论上可以在合理的超电势下运行。

尽管在这种方法的开发上投入了真正的巨大努力，但仍无法令人信服地证明NH₃的实际生产速度已远远超过含氮污染物的背景水平。

自2010年以来, 据报道使用水电解质对NRR表现出可测量的，有时具有显着的电催化活性的材料非常广泛。这些NRR“催化剂”的化学和结构变化，从碳载金或氧化镍颗粒到更奇特的多组分材料，传统上被认为在环境条件下是惰性的N₂分子，出乎意料地似乎在很多表面上很容易被活化。

有鉴于此，莫纳什大学的Alexandr N. Simonov 和Douglas R. MacFarlane等人，与最近发表的几篇对NRR报告结果总结的评论相反，批判性地重新评估了这些报告的可靠性，并确定任何可作为“真正NRR”的工作。在已发表的论文中强调了实验的严谨性，同时指出未来改进的机会，从而产生真正的进步。

将氮直接电化学还原为氨，近年来该领域呈指数级增长，但是对迄今发表的关键报告的分析表明，广泛采用的N₂电还原实验需要重新评估和改进。为此，在评估已发布的NRR报告中，采用了三个关键标准：

1）NH₃的产率足够高吗？

2）使用¹⁵N₂进行的实验是否可靠且足以确认关键结果？

3）对实验中可能存在的氮的氧化形式的控制和量化是否足够严格？

图1. 在4小时的NRR实验中，在不同的速率下提供的N2和潜在的NOx污染物数量。

截至2020年4月，关于水相NRR的综述包括127篇最近发表的论文。此外，还对一系列关于有机介质中N₂电还原的论文进行了类似的分析。尽管在此阶段，将10 nmol s^-1 cm^-2的氨产率作为实际相关过程的最小目标可能看起来具有挑战性，但它仍然比工业相关目标至少低一个数量级。

图2. Bi and Au/C: NRR vs. NOx reduction.

基础研究不仅将有助于氨电合成技术的发展，而且可能像以前在氢和氧电极反应研究中所发生的那样，有助于电催化科学的发展。通过研究反应动力学和机理，确定催化剂的真实活性态和表面位点，关键中间体和氮还原的限速阶段。

图.4 更新和简化的NRR实验方案建议。

Choi, J., Suryanto, B.H.R., Wang, D. et al. Identification and elimination of false positives in electrochemical nitrogen reduction studies. Nat Commun 11, 5546 (2020).

DOI: 10.1038/s41467-020-19130-z

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19130-z