近日，中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員包信和團隊在電化學合成氨研究中取得新進展。研究團隊通過電化學原位重構策略，構建了高效電化學還原硝酸鹽合成氨的銅-氫化鈀（Cu–PdHx）界面活性位點，實現了膜電極電解器件中1000小時工業級電流密度制氨，并開展了合成氨電堆放大示范。相關成果發表在《自然-合成》。
電化學合成氨示意圖。大連化物所供圖
氨在農業生產和下一代無碳能源體系中發揮著重要作用。可再生能源驅動的電催化還原硝酸鹽（NO3–）合成氨（NH3），是實現氨生產脫碳和氮資源循環利用的有效途徑。然而，緩慢的反應動力學與競爭性的析氫反應是電化學合成氨面臨的主要挑戰，研制高性能催化劑和電解器件是提升電化學合成氨性能和促進其實際應用的關鍵。
在本工作中，團隊研制了一種高性能的銅/鈀（CuPd）催化劑，其在電化學反應條件下，原位形成具有高本征活性的Cu–PdHx界面位點。團隊將該催化劑組裝到堿性膜電解器中，實現了NH3的高效合成。研究發現，在總電流密度為5 A cm–2時，氨法拉第效率為85.3%，全電池電壓為2.56 V，NH3產率達到19.9 mmol h–1 cm–2。與此同時，該反應在2.0 A cm–2電流密度下能穩定運行1000小時。器件工況原位譜學表征結合密度泛函理論計算結果表明，雙相界面的構建和PdHx相的原位形成共同提升了催化劑的本征活性，Cu–PdHx界面處氫物種的重新分布有效地調節了界面活性位點的局部電子結構，從而優化了NO3–吸附和NH3脫附。
隨后，團隊研制了5個串聯的電極面積為100 cm2的膜電極電解電堆，開展了電化學合成氨放大示范：在電流為500 A時，NH3生成速率達到8.7 mol h–1，可在100 A電流以1.6 mol h–1的速率連續產氨100小時。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00941-1