特別說明：本文由米測技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨追光者（米測 技術(shù)中心）
研究背景
隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的日益關(guān)注，傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法所帶來的能源消耗和環(huán)境污染問題日益凸顯。在這種背景下，尋找新的、更為環(huán)保和高效的合成方法成為了科學(xué)界的迫切需求。其中，氮化合物的合成尤為重要，因為硝酸鹽作為一種多功能化合物，在肥料、爆炸物、藥品等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)上，硝酸鹽的合成主要依賴于哈伯-博斯方法和奧斯特瓦爾德過程，這兩種方法都涉及到高溫高壓條件，導(dǎo)致了能源的大量消耗和溫室氣體的排放。因此，科學(xué)家們開始探索更加環(huán)保和能源高效的合成方法。電化學(xué)氮氧化反應(yīng)（NOR）作為一種候選方法備受關(guān)注，它通過可再生電力來驅(qū)動氮的氧化反應(yīng)，從而直接合成硝酸鹽。然而，NOR面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，其中包括競爭性的氧氣析出反應(yīng)（OER）在水溶液中的同時發(fā)生，以及缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的測試方案。這些問題限制了NOR的效率和可行性，迫使科學(xué)家們尋找新的解決方案。針對這一挑戰(zhàn)，四川師范大學(xué)李權(quán)教授、河南大學(xué)馬東偉教授、山東師范大學(xué)孫旭平、唐波教授攜手通過利用過氧化氫分解產(chǎn)生的羥基自由基（·OH）替代氧氣析出反應(yīng)，作為NOR的活性氧源，以解決競爭性的OER問題。研究團(tuán)隊通過密度泛函理論（DFT）計算確定了·OH具有較高的氧化電位，并且能夠克服與NOR相關(guān)的熱力學(xué)障礙。通過電化學(xué)測試和原位表征技術(shù)，他們驗證了利用·OH促進(jìn)的氮氧化反應(yīng)的高效性，并深入探討了其反應(yīng)機(jī)制。以上研究在“Nature Synthesis”期刊上發(fā)表了題為“H2O2-mediated electrosynthesis of nitrate from air”的最新研究論文。總的來說，本研究為解決氮化合物合成中的關(guān)鍵問題提供了一種新的方法，即通過利用過氧化氫分解產(chǎn)生的羥基自由基作為活性氧源，有效地推動了NOR的發(fā)展，并為可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)做出了貢獻(xiàn)。
科學(xué)亮點
1. 氮氧化的新方法：本文介紹了一種新穎的氮氧化方法，利用通過過氧化氫分解產(chǎn)生的羥基自由基（·OH）作為活性氧源，繞過了競爭性的氧氣析出反應(yīng)（OER），從而提高了氮氧化的效率和選擇性。
2. 高效能源轉(zhuǎn)化：研究采用可再生電力驅(qū)動的電化學(xué)方法，將氮氣直接轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，避免了傳統(tǒng)氨合成和氨氧化過程中的高溫高壓條件，降低了能源消耗和溫室氣體排放。
3. 綜合實驗驗證：通過密度泛函理論（DFT）計算和一系列原位實驗技術(shù)（如原位電化學(xué)質(zhì)譜、氣相紅外和電子順磁共振光譜），系統(tǒng)驗證了新方法的有效性和機(jī)理，為氮氧化領(lǐng)域的研究提供了全面的基準(zhǔn)和參考。
4. 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Γ杭夹g(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，基于可再生能源的氮氧化方法具有良好的可行性和可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)價值，有望成為未來氮肥生產(chǎn)的重要途徑，為減少化石能源依賴和降低環(huán)境影響提供了新思路和解決方案。
5. 實驗創(chuàng)新與突破：研究不僅在氮氧化機(jī)理的理論探索上取得了重要進(jìn)展，還在實驗技術(shù)和方法上進(jìn)行了創(chuàng)新，如將檢測限降低到飛秒級別，為氮氧化反應(yīng)的深入研究和應(yīng)用開辟了新的可能性和方向。
圖文詳情
圖2. 鑒別和排除因氮污染導(dǎo)致的假陽性的基準(zhǔn)。圖3. 電化學(xué)性能和反應(yīng)機(jī)理。圖5：技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和可行性驗證。
科學(xué)啟迪
總之，作者通過用通過H2O2分解產(chǎn)生的·OH取代競爭性的OER，作為活性氧源，引入了一種高效的NOR方法。這為直接從氮中合成硝酸鹽提供了一種有前景的、可持續(xù)的替代傳統(tǒng)、能耗高的哈伯-博斯和奧斯特瓦爾德過程。通過設(shè)計一個電解池，將陰極氧還原與陽極氮氧化結(jié)合起來，作者展示了使用可再生電力從空氣中實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上有利的硝酸鹽生產(chǎn)的可行性。此外，引入活性氧源的這一概念可以擴(kuò)展到其他電催化氧化反應(yīng)，包括但不限于甲烷和尿素氧化反應(yīng)，以及有機(jī)小分子增值氧化過程，潛在地改變了可持續(xù)生產(chǎn)增值產(chǎn)品的氧化反應(yīng)途徑的格局。 Dong, K., Yao, Y., Li, H. et al. H2O2-mediated electrosynthesis of nitrate from air. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00522-8
