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研究背景
氨（NH3）是全球重要的化工产品之一，目前主要通过哈伯-博施法（Haber-Bosch process）生产，该工艺需要在高温（400−500°C）和高压（10−30 MPa）条件下进行，消耗大量能源并产生较高的二氧化碳排放。因此，开发一种低碳、可持续的氨合成方法具有重要意义。近年来，利用可再生能源驱动的电催化硝酸盐还原反应（NO3-RR）被认为是一种在温和条件下实现绿色氨合成的替代途径。然而，目前该过程的电催化活性和长期稳定性仍不理想，限制了其实际应用。
成果简介
大连化物所汪国雄研究员、高敦峰研究员与包信和院士等人在《Nature Communications》上发表了题为“Ammonia electrosynthesis from nitrate using a stable amorphous/crystalline dual-phase Cu catalyst”的论文，本研究开发了一种稳定的非晶/晶体双相铜（a/c-Cu）催化剂，用于高效电催化合成氨。该催化剂在低电池电压（2.6 V）下实现了3.33 A cm-2的氨部分电流密度和15.5 mmol h-1 cm-2的氨生成速率，并且在1.5 A cm-2的高电流密度下，法拉第效率（Faradaic efficiency）可维持在90%左右，连续运行300小时。此外，通过将电极面积扩大到100 cm2，实现了高达11.9 g h-1的氨生成速率，能量消耗仅为108.3 kJ g-1 NH3，展现出优异的规模化潜力。
本文亮点
图文解析
图1 | a/c-Cu催化剂的NO3-RR性能
图2 | a/c-Cu催化剂的结构表征
图3 | 光谱学研究
图4 | 密度泛函理论（DFT）计算
结论
本研究通过开发一种稳定的非晶/晶体双相铜催化剂，实现了高效、稳定的电催化氨合成。非晶铜结构的存在显著提升了催化剂对氮含中间体的吸附能力和水解离生成活性氢物种的能力，从而提高了氨合成的效率和选择性。此外，该催化剂在大规模应用中展现出优异的性能，为未来绿色氨合成技术的发展提供了重要的理论和实验基础。
文献信息
Ammonia electrosynthesis from nitrate using a stable amorphous/crystalline dual-phase Cu catalyst，Nature Communications，2025.
DOI: 10.1038/s41467-025-55889-9
https://www.nature.com/articles/s41467-025-55889-9
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