Chem封面：電池？固氮？

　　氮氣，作為地球大氣層中含量最高的氣體，可謂取之不盡用之不竭。但是，氮氣分子中兩個氮原子之間的N≡N三鍵十分強大，鍵能高達946 kJ/mol，在正常條件下相當穩定。因此將空氣中的游離氮轉化為化合態氮的固氮過程，對于化學工業來說很不容易。目前最成功的利用氮氣和氫氣制造氨的哈伯法（Haber-B?sch process），效率雖高，但需要高溫、高壓和催化劑，耗能巨大而且產生大量的溫室氣體二氧化碳。電化學固氮的研究也不少見，但反應效率和產率還都不能讓人滿意。

　　近日，Cell Press旗下Chem 雜志以封面文章的形式報道了中國科學院長春應用化學研究所的張新波研究員課題組在這個領域的新突破。他們提出并論證了通過Li-N2可充電電池固氮的可能性，基于可逆固氮反應6Li + N₂ ? 2Li₃N。該電池表現出較高的庫侖效率（59%）和良好的循環性能，無需高溫高壓，條件溫和。這不僅為人工固氮提供了一個很有前景的方案，也下一代電化學儲能家族增添了一個新成員。

Chem封面及Li-N₂電池固氮

　　說到Li-N₂電池，不由得想起近幾年火熱的Li-S、Li-O₂、Li-CO₂等電池。從表中的理論數據可以看出，Li-N₂電池的比容量很高，不過由于目前電壓窗口太小，能量密度并不是特別高。

表1 不同鋰電池的理論數值

　　再來看看Li-N₂電池的結構，金屬Li做負極，醚基LiCF₃SO₃電解液，碳布做正極，直接利用空氣中的氮氣。

Li-N₂電池照片

　　研究者測試了0.05mV s-1掃速下，在N2和Ar兩個不同環境下電池的循環伏安曲線，1.3V的峰被認為是固氮反應，0.7V的峰被認為形成了插層化合物。電池充放電過程中發生的電極反應如下：

Li-N₂電池示意圖、電性能測試及循環測試曲線

　　接下來看看固氮的效果。首先，研究者在不同的充放電狀態下，將正極浸入Nessler試劑，檢驗Li₃N水解產生的NH⁴⁺。隨著放電時間增加，溶液逐漸變暗，說明Li3N逐漸增加，而充電開始后，溶液逐漸恢復透明，說明Li₃N逐漸分解，整個過程可逆。同時，如果在正極負載Ru或ZrO₂可以進一步有效提升固氮效率。

電化學固氮過程分析

　　總之，這一基于可逆固氮反應的Li-N₂可充電電池，不僅是在儲能領域的技術進步，更提供一種溫和條件下的人工固氮過程。雖然電池器件還只是“原型”水平，但本文的重點在“概念驗證（proof-of-concept）”。文章末尾，作者也強調，未來還需要加大投入，開發穩定的Li-N2電池正極、負極、電解質，并仔細研究電池反應的復雜機理。