上海交大突破绿氨生产技术，颠覆性成果登上《科学》
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上海交通大学变革性分子前沿科学中心李俊团队的最新成果在顶刊《科学》上在线发表。研究团队首次报道了在常温常压连续流条件下，100 mA cm-2高电流密度和21%高能效的稳定电合成氨新体系。这一成果，为绿氨规模化生产提供了颠覆性技术路径。
传统哈伯-博施工艺合成氨依赖高温高压（400-500°C、10-30 MPa）和化石燃料，占据了全球约1%的CO2排放。在“双碳”目标背景下，锂介导氮气电化学还原合成氨技术为高效制氨提供了新路径，其核心挑战在于提升反应选择性与加速传质速率。
该过程依赖电极表面固体电解质界面（SEI）层调控锂离子传输，但现有SEI层存在离子传导率低、去溶剂化能垒高等缺陷，导致高电流密度下反应界面收缩与析氢副反应加剧。尽管通过优化电极设计和电解质配方取得进展，氨分电流密度仍被限制在8 mA cm-2。高压间歇式电解虽能改善离子迁移，但系统能耗剧增且能效仅3%，难以实现连续生产。SEI层锂离子传导能力与动态平衡机制的缺失，已成为制约连续流锂介导合成氨技术发展的关键瓶颈。
原创突破，创制离子分级传输界面
锂介导氮还原合成氨技术面临的核心挑战在于：SEI层离子传导率低下，导致高电流密度下锂离子传输受阻。为突破这一瓶颈，研究团队创新性地设计了一种功能分层的混合SEI结构：通过构建具有低离子结合能的外层促进锂离子去溶剂化，同时在富含离子传导域的内层实现高效锂离子传输。该设计成功将锂离子通量提升两个数量级，在连续流反应体系中实现了100 mA cm-2的高电流密度下稳定运行。
值得注意的是，传统电解体系在超过8 mA cm-2时就会因SEI层锂离子耗尽导致反应界面急剧收缩，而新型混合SEI结构有效维持了反应界面的稳定性，使电流-氨转化效率获得显著提升。这一突破为发展高效锂介导合成氨技术提供了关键材料设计策略。
图1. 锂介导氮气电还原体系及其不同固体电解质界面（SEI）膜的离子传输模型分析
解析三层精密离子通道结构，首次确立"去溶剂化-传输-催化"级联调控新机制
研究团队成功构建了去溶剂化-扩散层状架构（DDLA）的SEI后，又通过冷冻透射电镜结合同步辐射表征技术，解析出该DDLA由三层精确排布的无机相构成：最外层为LiF层、中间层为Li2CO3离子传导通道以及最内层为与阴极接触的Li3N界面层（晶面间距分别为2.00 Å、2.85 Å和3.13 Å）。
结构深度分析发现，DDLA中LiF表层通过低结合能特性加速锂离子去溶剂化，而Li2CO3中间层则形成三维离子渗透网络。同步辐射X射线光谱证实，这种层次化结构在10-20纳米尺度上建立了连续的离子传输梯度。特别值得注意的是，DDLA内部发现的对称分布的Li3N晶畴与电解液界面形成分子级接触，为氮气还原提供了特异性活性位点。该结构特征解释了DDLA电极在高电流密度下实现高效锂介导氮还原合成氨的原理——Li2CO3通道将锂离子通量提升至常规均质SEI体系的100倍，同时LiF/Li3N异质界面显著抑制了析氢副反应。这些发现不仅揭示了电极-电解质界面离子传输的级联调控机制，其分级离子传输机制也为设计下一代高效合成氨电极提供了明确的界面工程原则。
实现常温常压高效合成氨，开辟可再生能源驱动分布式制氨新路径
此外，理论计算揭示DDLA在离子传输动力学上展现出独特优势：其表面LiF层通过0.67 eV的低去溶剂化能促进锂离子释放，而Li2CO3中间层仅需克服0.60 eV的迁移能垒，相较常规均质SEI体系（去溶剂化能垒0.73 eV，迁移能垒1.07 eV）具有显著动力学优势。这一发现不仅解释了DDLA电极实现高离子电导率的本质原因，更确立了"去溶剂化-传输-催化"三级联机制在高效合成氨反应中的核心作用，这种协同稳定效应为设计高稳定性电解界面提供了新范式。
本研究通过流动电解池系统验证了理论预测，首次在常温常压100 mA cm-2电流密度下实现98%法拉第效率与21%能量效率，并具备50小时连续运行的稳定性，为发展可再生能源驱动的分布式合成氨技术奠定了理论和实验基础。这些发现不仅适用于电化学固氮领域，其揭示的离子传输调控机制对金属空气电池、固态电解质电池等新能源器件开发同样具有指导意义。
上海交通大学变革性分子前沿科学中心李俊副教授和苏州大学程涛教授为论文通讯作者。变革性分子前沿科学中心博士后张强、变革性分子前沿科学中心访问博士生李华敏、苏州大学博士生于沛平和变革性分子前沿科学中心博士生刘鹏宇为论文第一作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、化学生物协同物质创制全国重点实验室、教育部中央高校基本科研业务费专项资金以及上海市基础研究特区计划等项目支持。
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