第一作者：王梦迪
通讯作者：闫啸，梁骥
论文DOI：10.1002/aenm.202503846
实现碳中和目标迫在眉睫，推动着全球能源系统的深刻变革。氢能被视为理想的清洁能源，但面临体积能量密度低和难以安全远距离储运的难题，制约其规模化发展。氨，作为一种高效的氢能载体（17.8 wt.%）、易于液化、且拥有成熟储运设施，正展现出作为理想氢载体和零碳燃料的巨大潜力。
此外，氨是连接氮循环与能源循环的关键节点。全球工农业活动已严重扰乱了自然的氮循环，且传统化工工艺，如哈伯-博世法合成氨和奥斯特瓦尔德法制硝酸等过程能耗高、碳排放巨大。因此，开发新型电化学技术，构建可持续的氮基能源体系，在温和条件下实现绿氢和高附加值化学品的制造，对于低碳经济的发展至关重要。电化学氨氧化反应（AOR）具有多样反应路径和目标产物、可在常温常压下进行，为实现这一目标提供了极具前景的平台。
天津大学梁骥教授、深圳信息职业技术学院闫啸教授团队在国际知名期刊 Advanced Energy Materials 上发表了题为“Energy and Resource Generation via Electrochemical Ammonia Oxidation: From Materials Design to System Integration”的综述文章。该文章系统阐述了以电化学氨氧化反应为核心的可持续氮循环技术。文章从AOR的基础反应机理与动力学瓶颈出发，全面总结了其在三个关键应用方向上的最新进展：作为直接燃料的动力装置（直接氨燃料电池）、作为氢载体的裂解技术（氨电解池）、以及作为前驱体的高附加值化学品电合成。该综述旨在为构建从材料创新到系统集成的全链条技术方案提供路线图，推动氨在未来的能源与资源体系中发挥核心作用。
图1. 以氨为核心的氮循环系统示意图，展示了催化剂设计与系统工程相结合的策略，及其在直接燃料、氢载体和高附加值化学品合成中的应用。
要点一：氨的多功能角色与应用前景
碳中性能源载体：直接氨燃料电池可直接将氨的化学能转化为电能，能量密度高，系统结构紧凑。
高效氢载体：氨的储氢密度高，储运成本低于液氢和甲醇。通过氨电解技术，可在温和条件下按需生产高纯度氢气，理论能耗极低。
高值化学品前驱体：通过调控AOR路径，可选择性地将氨电氧化为亚硝酸盐、硝酸盐甚至肼等高价值产品，为绿色合成氮化学品提供了新路径。
这些角色共同确立了氨在构建“氮基循环经济”中的核心地位。
要点二：AOR的复杂机理与核心挑战
复杂反应机制：AOR主要遵循Oswin-Salomon和Gerischer-Mauerer两种机理路径，分别涉及N原子耦合与NHx二聚体形成，容易受外加电势、催化剂表面结构等因素影响，路径竞争激烈。
高过电位与动力学缓慢：N-H键断裂和N-N耦合步骤能垒高，导致反应启动需要较高的过电位（通常>0.4 V），限制了能量转换效率。
严重的催化剂中毒：反应中间体如N和NOx在活性位点（尤其是贵金属Pt、Ir）上强吸附，导致催化剂迅速失活。
产物选择性控制难：反应条件（电位、pH、氨浓度）的细微变化可能将产物从N2导向NOx-或N2H4，实现目标产物的高选择性合成极具挑战。
要点三：从材料设计到系统优化的应对策略
针对上述挑战，该综述系统梳理了从微观材料到宏观系统的多种创新策略：
催化剂设计：
贵金属催化剂：通过制备Pt纳米立方体优先暴露高活性的(100)晶面、构建PtIr、PtPd等二元或三元合金，利用电子效应和协同效应优化中间体吸附能，提升活性和抗中毒能力。
非贵金属催化剂：Ni、Cu基催化剂（如NiCu层状氢氧化物nanowires）成本低廉，在碱性环境中表现出可与Pt/C媲美的AOR活性。通过引入第三组分（如Co）或构建异质结构（如NiO/CuO）可进一步调控电子结构，降低反应能垒。
分子催化剂：设计特定结构的Ru/Fe络合物，可通过单分子或双分子机制在低电位下高效、高选择性地合成N2H4，为精准催化提供了新范式。
系统优化：
对于直接氨燃料电池：在低温AEMFC中，开发高离子电导率、耐氨的阴离子交换膜是关键；在高温SOFC中，设计抗氮化（如形成NiFe合金、Ru掺杂钙钛矿原位析出纳米颗粒）的阳极至关重要。
对于氨电解池：采用Zirfon等多孔隔膜替代传统AEM，优化电解液流速、接触压力等操作参数，并设计三维多孔电极（如Pt/N-掺杂石墨烯气凝胶），可显著提升产氢速率和系统稳定性。
要点四：系统集成与未来能源经济
该综述强调，电化学氨氧化技术的真正价值在于其系统集成潜力，能够形成一个完整的“可再生能源-绿氨合成-氨储运-终端利用”的清洁能源循环。例如，将可再生能源驱动的电化学合成氨（氮还原反应，NRR）与本文重点论述的AOR利用技术相结合，有望构建一个完全脱离化石燃料的“绿色氮循环”，同时解决能源存储、运输和化学品绿色制造的难题。
该综述最后对未来研究方向提出了前瞻性的展望：
深化机理研究：需要结合更先进的原位/工况表征技术和理论计算，在原子尺度上动态揭示AOR反应路径和催化剂失活机制，特别是在实际器件运行条件下的变化。
高性能材料开发：重点探索低成本、高活性、高稳定性的非贵金属催化剂和分子催化剂，并设计能够自适应宽电位/ pH范围工作的智能催化材料。
系统集成与优化：推动催化剂、电解质、膜电极等组件的一体化设计与协同优化，解决氨渗透、枝晶生长、界面副反应等工程实际问题，提升整体器件的能量效率、功率密度和长期循环寿命。
跨学科融合：促进电化学、材料科学、化学工程和系统建模等领域的深度融合，加速电化学氨氧化技术从实验室走向产业化应用。
总之，该综述系统勾勒了电化学氨氧化技术从基础科学到工程应用的发展蓝图，指出氨作为能源载体和化学枢纽在实现碳中和目标中将扮演不可或缺的角色。通过持续的材料创新和系统集成，电化学氨氧化技术有望为建立可持续、高效、循环的氮基能源和经济体系奠定坚实的基础。
梁骥：天津大学教授，博士生导师，于2014年获澳大利亚阿德莱德大学博士学位，先后获中国科学院金属研究所葛庭燧奖研金项目、澳大利亚研究理事会（ARC）青年学者奖（DECRA）等项目的支持。2020年加入天津大学材料科学与工程学院，从事纳米储能材料与器件的基础及应用研究，所开发的材料用于新型非贵金属催化氧还原、氮还原、光催化及储能等领域。梁骥教授针对电催化及电池应用的具体要求，对材料的结构和表面化学进行设计和调控，得到了一系列的高性能电催化/电池材料，同时结合理论模拟，揭示了这类非（贵）金属材料在上述电化学体系中的反应机制。近年来，其研究成果以学术论文的形式在Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Storage Mater.等期刊发表文章170余篇，其中多篇以封面、内封面、封底的形式发表，参与编写英文书籍多部，其学术成果累计引用17,000余次，h指数为52。多次入选斯坦福全球Top 2%科学家排行榜和爱思威尔中国高被引学者。
闫啸，2012年获英国布鲁奈尔大学博士学位，现任职深圳信息职业技术大学信息技术研究所副教授。主持完成国家自然基金、广州市科技项目，深圳市基础研究专项等。主要从事能源材料的基础和应用研究。
声明
