一种隐藏的铜开关让绿色氨气生产更高效

氨在化肥生产中处于核心地位，对现代农业至关重要。如今，大多数氨通过哈伯 - 博施法生产，该方法在极高温度和压力下将氮气与氢气结合，不仅需要大量能源，据估计还贡献了全球约1.4%的二氧化碳排放量。由于氨与全球粮食供应紧密相关，开发更清洁的替代生产方法具有强烈动力。

探索氨的低温制备途径
东京都立大学天野文昭教授领导的研究小组专注于电化学硝酸盐还原反应，这是一种新兴方法，能在室温和常压下将硝酸盐转化为氨。电化学技术是将电极置于化学溶液中，通过施加电压来触发特定反应。尽管早期研究已确定氨生成过程中电极上发生的个别步骤，但整个反应序列一直难以明确。

利用先进工具追踪催化剂变化
通过先进测量技术，该团队对氧化铜催化剂存在时氨的形成过程有了更清晰的认识（氧化铜被认为是该反应最强的电催化剂之一）。他们采用原位X射线吸收技术，这种技术可同时考察电子行为和局部结构变化。通过将氧化铜小颗粒附着在碳纤维上，他们能够观察到当施加的电压变得越来越负时，该材料的响应情况。

研究发现，在正电压下，硝酸根离子会通过附着在催化剂表面使其“钝化”，这阻止了氧化铜转化为金属铜，反而导致亚硝酸根离子的形成。一旦电压变得更负，氨的产量就会急剧上升。这种增加与金属铜颗粒的出现同时发生，铜 - 铜键的大幅增加证实了这一点。研究人员确定，这种金属铜有助于将氢添加到亚硝酸根离子中，从而生成氨。

迈向更高效绿色氨的途径
研究结果表明，表面钝化会影响氧化铜的性能，且反应过程中生成金属铜对高效产氨至关重要。这些结果为改进绿色氨生产方法和设计下一代电化学催化剂指明了更广泛的策略。

本研究得到东京都立大学和东京全球伙伴奖学金项目的支持，其成果基于新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托的JPNP14004项目。