应用成果

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　　氨是最广泛的工业化学品之一，全球产量约为每年1.7亿吨，主要通过哈伯-博施工艺实现规模化生产。然而该反应必须在高温和高压条件下进行，每年需消耗1％全球能源，并排放超过4.5亿吨二氧化碳。今年两会上，碳达峰、碳中和首次被写入政府工作报告，解决哈伯-博施工艺所带来的高能耗和温室气体排放等问题已迫在眉睫。近年来，常温常压下水相电催化氮还原提供了一种可能的方式。但由于产氢竞争反应激烈，以及氮气固有的溶解度低、氮氮三键难以活化等属性使水相电催化氮还原进入发展瓶颈。非水相锂介质氮还原作为一种新的产氨策略，可以通过锂在非水溶剂中氧化还原循环，实现高效氮气的活化和氨的产生。然而非水相锂介质氮还原目前仍面临着锂作用机理模糊和催化材料设计策略匮乏等问题，阻碍非水相氮还原的发展。

　　近日，南京大学邹志刚/姚颖方团队首次发现非水相氮还原过程中的多米诺效应：即一旦完成第一步锂离子还原，整个氮还原反应将如推倒的多米诺骨牌一般，自发完成后续氮气固定和还原。

　　图1：原位XRD监测锂介质氮还原反应中间物种

　　该团队利用我司开发设计的原位XRD电化学反应池，通过原位XRD技术监测锂介质氮还原过程，发现了氮还原中锂中间产物的变化，验证了锂离子还原是锂介质氮还原反应的关键步骤。另外，研究者以碳纸担载金纳米颗粒作为模型电极材料，发现金纳米颗粒可充当锂离子还原的电催化材料。计算和实验结果都表明，金与锂有更高的电子亲和力，有效降低了锂离子还原的电子转移势垒。而碳作为一种典型的锂电化学插层材料，表现出更高的电子转移势垒，限制了锂还原动力学。该研究结果表明锂离子还原电催化剂对氮还原电极材料的设计至关重要，为电催化氮还原的研究提供了全新的思路。该论文发表在《德国应用化学》（Angew.Chem.Int.Ed.）上。

　　图2：原位XRD测试装置图

　　图3：金催化锂离子还原促进氮气固定

　　论文信息：

　　Domino effect:gold electrocatalyzing lithium reduction to accelerate nitrogen fixation

　　文章的第一作者是南京大学环境材料与再生能源研究中心博士生高麟峰和曹媛。研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省基金、中央高校基本科研业务费、江苏省研究生实践创新计划资助完成。

　　DOI:10.1002/anie.202015496

　　文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202015496