第一作者：Jaecheol Choi
通訊作者：Douglas R. MacFarlane & Alexandr N. Simonov
通訊單位：莫納什大學
電催化學術QQ群：740997841
氨作為一種液化可再生能源的能源載體正在引起全球的關注。電化學N2還原（NRR）被公認為是傳統的Haber-Bosch生產氨的替代方法。目前考慮的N2到NH3電化學轉化的模式可以暫時分為兩大類：
i）直接電催化還原；
ii）氧化還原介導的電還原。
可以基于操作溫度，所使用的電解質/溶劑系統的類型，所使用的質子源以及基于與每種模式相關的一系列其他特定參數來進一步將二者分類。
研究人員對使用含水電解質的具有高度技術吸引力的直接氮還原反應（NRR）進行了最深入的研究，這避免了使用高溫，易燃和有毒的溶劑，并且理論上可以在合理的超電勢下運行。
盡管在這種方法的開發上投入了真正的巨大努力，但仍無法令人信服地證明NH3的實際生產速度已遠遠超過含氮污染物的背景水平。
自2010年以來, 據報道使用水電解質對NRR表現出可測量的，有時具有顯著的電催化活性的材料非常廣泛。這些NRR“催化劑”的化學和結構變化，從碳載金或氧化鎳顆粒到更奇特的多組分材料，傳統上被認為在環境條件下是惰性的N2分子，出乎意料地似乎在很多表面上很容易被活化。
有鑒于此，莫納什大學的Alexandr N. Simonov 和Douglas R. MacFarlane等人，與最近發表的幾篇對NRR報告結果總結的評論相反，批判性地重新評估了這些報告的可靠性，并確定任何可作為“真正NRR”的工作。在已發表的論文中強調了實驗的嚴謹性，同時指出未來改進的機會，從而產生真正的進步。
將氮直接電化學還原為氨的，近年來該領域呈指數級增長，但是對迄今發表的關鍵報告的分析表明，廣泛采用的N2電還原實驗需要重新評估和改進。為此，在評估已發布的NRR報告中，采用了三個關鍵標準：
1）NH3的產率足夠高嗎？
2）使用15N2進行的實驗是否可靠且足以確認關鍵結果？
3）對實驗中可能存在的氮的氧化形式的控制和量化是否足夠嚴格？
圖1. 在4小時的NRR實驗中，在不同的速率下提供的N2和潛在的NOx污染物數量。
截至2020年4月，關于水相NRR的綜述包括127篇最近發表的論文。此外，還對一系列關于有機介質中N2電還原的論文進行了類似的分析。盡管在此階段，將10 nmol s-1 cm-2的氨產率作為實際相關過程的最小目標可能看起來具有挑戰性，但它仍然比工業相關目標至少低一個數量級。
圖2. Bi and Au/C: NRR vs. NOx reduction.
基礎研究不僅將有助于氨電合成技術的發展，而且可能像以前在氫和氧電極反應研究中所發生的那樣，有助于電催化科學的發展。通過研究反應動力學和機理，確定催化劑的真實活性態和表面位點，關鍵中間體和氮還原的限速階段。
圖.4 更新和簡化的NRR實驗方案建議。
Choi, J., Suryanto, B.H.R., Wang, D. et al. Identification and elimination of false positives in electrochemical nitrogen reduction studies. Nat Commun 11, 5546 (2020).
DOI: 10.1038/s41467-020-19130-z
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19130-z
