氨在工业生产中的现状及传统工艺存在的问题，重点阐述了青岛科技大学化工学院张永超副教授与朱晓东教授在电催化氮还原合成氨领域取得的新进展，包括研究内容、成果及意义。
在当今的化工领域中，氨（NH₃）作为一种被广泛应用的化工产品，有着极其重要的地位。它在生物、化学、医药等众多领域被当作氮源使用，可用于合成纤维、肥料、染料以及炸药等多种产品。目前，工业上生产氨主要依赖传统的哈伯 – 博世法。但这种工艺存在很大的弊端，其反应条件极为苛刻，不仅造成了能源的大量浪费，还对环境不够友好。
不过，近日来自青岛科技大学化工学院的张永超副教授与朱晓东教授，在电催化氮还原合成氨领域取得了令人瞩目的新进展。电催化氮还原反应（NRR）是一种在环境条件下实现绿色合成氨的潜在策略。它具备诸多优势，可以在室温和常压的条件下打破 N≡N 的高反应能垒，并且能够利用自然界中的清洁可再生资源来替代 H₂ 等原料，从而达到节约能源的目的。然而，由于 N≡N 的键能极高，导致电化学 NRR 的活性较低。同时，竞争性析氢副反应的存在，使得其选择性也不足。因此，开发出兼具高活性和高选择性的 NRR 催化剂，成为了当前该领域的主要研究任务。
基于这样的能源背景，化工学院朱晓东教授等人在 Advanced Functional Materials 期刊发表了题为 “In@Mn₃O₄ with Rich Interface Low – Coordination Mn Active Sites for Boosting Electrocatalytic Nitrogen Reduction” 的研究论文。其中，研究生吴廷楷为第一作者，张永超副教授和朱晓东教授为共同通讯作者。
在这项研究中，团队通过简单的超声剥离策略，在水介质中设计出了独特的具有 In 核和 Mn₃O₄ 纳米片的 In@Mn₃O₄ 核壳纳米颗粒。Mn₃O₄ 纳米片有助于调节 NRR 反应的活性位点，而 In 核能够向 Mn₃O₄ 纳米片壳提供电子，二者共同促进 N₂ 的吸附和活化，并协同加速 NRR 反应动力学。此外，所设计的 Mn₃O₄ 壳具有相对疏水性，可以有效抑制析氢副反应，提高 NRR 反应选择性。实验结果显示，在 – 0.9 V(vs.RHE）下，In@Mn₃O₄ – 5 的 NH₃ 产率为 89.44 μg h⁻¹mgcat⁻¹，在 – 0.7 V(vs.RHE）下的最大 FE 为 27.01%。经过 96 小时的稳定性测试，催化剂活性未出现显著衰减。
本研究中的独特核壳结构和低 Mn 配位设计，为氮 – 水界面环境的调节和先进 NRR 电催化剂的合理设计提供了独特的见解，有望为解决氨合成过程中的能源和环境问题带来新的思路。
本文围绕氨的工业生产现状展开，指出传统工艺的不足，进而介绍了青岛科技大学团队在电催化氮还原合成氨领域的新成果。该成果通过设计独特的核壳纳米颗粒催化剂，提高了电催化氮还原反应的活性和选择性，且催化剂稳定性良好，为该领域的发展提供了新的方向。
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