氨是目前产量第二大的工业化学品，年产量超过172吨。它主要用作肥料，在上个世纪维持不断增长的世界人口中发挥了核心作用。氨也是工业上必不可少的基础化学品，而且，如果将生产有效地与太阳能或风能等可再生能源结合，则氨有望成为潜在的能源载体。目前，氨的生产依靠Haber-Bosch工艺，该工艺在高温（350-500°C）和压力（150-200 bar）下用氢气热还原大气中的氮气。目前，此过程的能源需求约占全球能源消耗的1％，并导致大量的CO₂排放，这主要是由于需要通过化石燃料的蒸汽重整生产H₂。此外，所需的高压反应条件需要大型集中设备，安装成本很高，将氨运输到使用地点的成本也很高。锂介导的氮还原是一种行之有效的电化学合成氨的可靠方法，但是迄今为止该方法还不稳定，并且锂的连续沉积限制了它的实际适用性。进一步发展这一过程的一个主要问题是人们对其机理知之甚少。

有鉴于此，丹麦科技大学IB Chorkendorff教授、斯坦福大学Jens Nørskov等人，开发一个模型来理解动力学，并使用该理解发展了一个潜在的循环过程。实验表明，它改善了系统的稳定性，并大大提高了法拉第效率。

本文要点

1）虽然锂介导的氨合成在实际应用中仍存在明显的障碍，如替换牺牲的质子源，但该模型可以用于进一步改进工艺。气体扩散电极的使用可以提供非常有希望的替代N2压力的方法，以相对于质子独立地增加氮的质量传输。

2）该模型表明，只有在氮向表面的转移速率成比例增加的情况下，才能在相似的有限元条件下获得更高的速率。锂与氮牢固结合，并且对N₂的离解具有非常低的势垒，但是，Li是目前（至少到目前为止）已知的用于形成保护性SEI层的唯一电极材料。与锂离子电池类似，这种钝化SEI层可能在决定系统功能和催化性能方面起着至关重要的作用。首先，它可以通过防止工作电极上有机分解产物积累而导致电解液过度降解，从而有助于提高系统的稳定性。这不仅应保护催化剂免受中毒，还应有助于维持已证明的长期锂循环能力。

3）其次，如上所述，SEI层很可能是控制相对扩散速率的关键因素，相对扩散速率，它是实现高eNRR FE的关键变量。相对较慢的质子运输尤其让人联想到酶氮酶在环境中对N₂的还原作用，其中厌氧条件导致质子通过蛋白质的传递路径得到良好控制。一个重要的进步将是更好地理解SEI层的组成，以及三种扩散物种如何与之相互作用，以便能够调整个体的扩散率，使之达到最佳条件。

参考文献：

Suzanne Z. Andersen et al. Increasing stability, efficiency, and fundamental understanding of lithium-mediated electrochemical nitrogen reduction. Energy Environ. Sci., 2020.

DOI: 10.1039/D0EE02246B

https://doi.org/10.1039/D0EE02246B