NH3是世界上生产的第二大化学品，近80%的NH3用于肥料合成。同时，NH3是制造硝酸不可缺少的原料，可进一步用于化工生产。
此外，NH3具有高氢气容量，使其成为潜在的无碳燃料。作为最伟大的发明之一，Haber-Bosch工艺使高附加值NH3的大规模生产成为可能；然而，由于Haber-Bosch工艺的高运营成本和负面环境影响，它违背了可持续发展理论的原则。
因此，探索绿色、可持续的NH3生产方式，同时实现全球环境的可持续性势在必行。
人工电催化NH3合成(可与清洁的可再生电力耦合)是近年来的研究热点，其中大多数研究人员使用N2气体作为N源。虽然电催化N2还原反应(NRR)为环境NH3的产生提供了一种环保和可持续的途径，但由于N2分子的高热力学稳定性，N2还原到NH3的转化效率并不理想。
幸运的是，更活跃的N源(即NO, NO2-，NO3-)被认为是实现有效NH3生产的有吸引力的前体，同时，电催化NO还原反应(NORR)和NO3-/NO2-(NOx-)还原反应(NtrRR)的发展也有望控制和减轻相关的环境污染。
虽然在人工电合成NH3的领域已经有了许多有前景的研究，但设计和开发具有高选择性和稳定性的活性电催化剂以实现高效的NH3生产仍然存在一定的挑战。
最近，电子科大的孙旭平团队和四川大学应斌武团队合作在《中国催化杂志》介绍了三种电化学NH3合成路线(NRR、NORR和NtrRR)，旨在为电催化NH3合成反应提供经验和启发更多的关键见解。并总结了环境NH3合成电催化剂的最新进展，主要涉及催化机理、理论进展和电化学性能。
人工电催化氨合成（可与清洁可再生电力耦合）最近成为研究热点
在这个论述中，研究回顾了电催化氨合成领域的最新进展。首先，研究简要介绍了三种电化学氨合成途径的研究背景和意义：电催化氮还原、一氧化氮还原以及硝酸盐/亚硝酸盐还原。然后，研究详细讨论了室温氨合成电催化剂领域的最新研究进展，主要涉及催化机制、理论进展和电化学性能。最后，研究还强调了人工电合成氨的现有挑战和未来研究需求。
主要包含以下的一些方向：
(1)注重理论计算, 通过理论计算可以预测可能的活性位点、吸附能和反应途径, 有助于快速筛选合适的催化剂, 大大降低实验成本；
(2)发展先进的原位表征技术来观察电催化剂表面上的动态变化和捕获/识别反应中间体, 促进对真实反应机理的探索, 从而进一步指导催化剂的设计；
(3)确保数据的准确性和可重复性；
(4)合理设计有效的电催化剂. 为了进一步提高现有材料体系对氨合成的催化性能, 需要开发更高效的材料设计策略(如精确调节单原子金属的配位环境、掺杂原子/空位的类型和浓度、合理暴露特定的晶体面等), 以促进电催化剂的内在活性. 此外, 通过优化电催化剂的形态, 构建特殊的结构(如尖刺), 可以暴露丰富的活性位点, 显著提高其表观活性；
(5)研究特定的电极材料时, 除材料工程外, 扩展实验条件也至关重要, 包括电解质的pH值、应用电位和氮物种初始浓度等, 可能会影响催化活性和选择性；
(6)文献报道的稳定性测试通常在50 h以下, 对于工业运行(预计在高电流密度下可以稳定运行数千小时)来说, 时间太短. 因此, 未来的催化剂设计需要以更长的测试时间为目标；
(7)未来研究应进一步探索真实环境下NORR/NtrRR的催化活性, 以实现更高效的氨合成；
(8)应开发一种可替代的氨分离技术. 在传统的Haber-Bosch工艺中, 通过冷凝, 氨从未反应的N2和H2中分离出来, 耗能大, 因此应采用比冷凝工艺能量输入更少的分离技术；
(9)从实际应用角度出发, 还应考虑综合的技术经济评估, 包括材料成本、总能源成本、设备维护成本和产品分离成本等, 以评估氨电合成的大规模可扩展性和商业可行性；
综上, 开展电催化合成氨领域的研究有望以绿色和可持续的方式缓解环境污染和未来的能源问题。
参考文献Ling Ouyang et al, Recent advances in electrocatalytic ammonia synthesis, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64464-X
