近日，大連化物所催化基礎國家重點實驗室能源與環境小分子催化研究中心（509組群）鄧德會研究員、崔曉菊副研究員、于良研究員團隊在一氧化氮電催化合成氨的研究中取得新進展。團隊創新性地構建了高壓-電催化體系，并開發出具有獨特三維多級孔結構的整體式Cu納米線陣列催化劑，實現了安培級電流密度下高效、長壽命的一氧化氮電催化合成氨。該工作為工業廢氣中一氧化氮污染物的資源化利用和綠色可持續的電合成氨工藝提供了新思路。
全球每年排放約6900萬多噸的氮氧化物（NOx），其中己二酸和硝酸的工業合成過程是主要的高濃度一氧化氮（NO）排放源。與此同時，氨作為現代社會中不可或缺的基礎化學品，在化肥制造及含氮化學品生產中扮演著關鍵角色。針對NO污染治理和合成氨的可持續發展需求，NO電化學還原合成氨反應提供了一條具有潛力的技術路徑。然而，該技術仍面臨NO在水溶液中的低溶解度，嚴重限制其傳質效率，以及電化學還原過程中的析氫副反應制約合成氨的法拉第效率等問題。
鄧德會團隊前期在電化學氮循環方面取得了系列進展（Nat. Synth.，2024；Natl. Sci. Rev.，2022；Chem Catal.，2022；Angew. Chem. Int. Ed.，2020），此外，團隊還利用高壓-電化學反應裝置實現了甲烷等能源小分子的高效電催化轉化（J. Am. Chem. Soc.，2024；J. Energy Chem.，2023）。在此基礎上，本工作中團隊設計并合成了一種具有三維多級孔結構的整體式Cu納米線陣列電極，結合自主研制的高壓-電化學反應裝置，實現了一氧化氮高效電催化合成氨。該體系在氨的部分的電流密度達到1007 mA cm-2時，法拉第效率仍能保持為96.1%，氨的生成速率達到10.5 mmol h-1?cm-2，是商用泡沫銅在常壓下氨生成速率的10倍以上，并可以在1000 mA cm-2的大電流密度下穩定運行100小時以上，表現出優異的工業應用潛力。實驗表征與理論計算結果表明，Cu納米線陣列電極的多級孔結構最大限度地暴露了活性位點，并增強了內部傳質效率；另一方面，提高NO分壓增加了NO的溶解度并促進其擴散與傳質，同時提升了Cu表面的NO覆蓋度，適度弱化了Cu與吸附態NO*之間的相互作用，既促進了NO加氫生成氨，又有效抑制了競爭性的析氫反應。該工作不僅為工業級電流密度下NO電催化合成氨提供了新的技術策略，也為其他氣體小分子的高效電催化轉化提供了新思路。
相關研究成果以“Electrosynthesis of NH3?from NO with ampere-level current density in a pressurized electrolyzer”為題，于近日發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃項目、中國科學院B類先導專項“功能納米系統的精準構筑原理與測量”等項目的支持。
