所有作者均中文署名！Nature Synthesis：開啟空氣直接制氨新篇章

等離子體-電解串聯系統能夠在常溫條件下通過“空氣→NOx→NOx-→NH3”這一途徑利用空氣和水制取氨氣。然而，由于在等離子體產生與電催化轉化之間缺乏工藝強化，NH3的產量受到了限制。

西安交通大學楊貴東教授、歐鴻輝研究員等人報道了一種富含孿晶界（TBs）和層錯（SFs）的改性鈷陰極（TB/SF-Co），用于選擇性還原NO2-。機理分析表明，TB/SF缺陷使Co的d軌道中心上移，增強了NO2-的吸附，并促進了中間體的加氫反應。該材料在部分電流密度為-1.73 A cm-2時，實現了96.7%的NO2-轉化為NH3的法拉第效率。

將富含孿晶界和層錯的鈷陰極與微波等離子體模塊耦合，能夠實現高效的合成氨，在100 cm2的平行電解槽中，總電流超過101 A時，空氣轉化為NO2-的速率為0.745 mol h-1，NO2-轉化為NH3的速率為0.619 mol h-1，法拉第效率超過95%。

相關工作以《Ampere-level ammonia synthesis through grain boundary engineering》為題在《Nature Synthesis》上發表論文。

圖文介紹

圖1 活性表面篩選

為了便于進行合理的電催化劑設計，對采用微波等離子體空氣活化（MPAA）方法后在堿性吸收溶液中產生的產物分布情況進行了定量分析。NO2-占總NOx-物種的98.5%，這表明它是主要的反應物，也突顯了需要具有快速NO2-轉化為NH3動力學的催化劑。因此，對四種非貴金屬過渡金屬（Fe、Co、Ni 和 Cu）進行了初步篩選。電化學結果（圖1b、c）表明，Co具有更低的起始電位、更高的陰極電流密度和更高的NH3產率，同時在較寬的電位窗口內保持大于90%的法拉第效率，這確立了Co作為NO2-還原的有前景的候選材料。

為了進一步篩選具有更高催化潛力的協同活性表面，利用DFT來研究具有不同原子堆疊序列的鈷結構。除了常規的緊密堆積相——面心立方(fcc)-Co（ABCABC）和六方緊密堆積(hcp)-Co（ABABAB）之外，還研究了由缺陷衍生出的具有特定堆疊序列的結構，包括一種連續的TB（ABCACBA，TB-Co）結構和一種內在的SF（ABCBCABC，SF-Co）結構。d 帶中心（εd）模型可作為評估過渡金屬與中間體之間的結合能和催化相互作用的可靠指標。PDOS分析（圖1e）顯示，TB-Co的d帶中心（-1.33 eV）和SF-Co的d帶中心（-1.30 eV）比fcc-Co（-1.44 eV）和hcp-Co（-1.37 eV）的更接近費米能級（Ef），這表明反應中間體的吸附強度有所增強。同樣地，對于*NO2吸附的吉布斯自由能計算（G*NO2）表明，TB-Co和SF-Co表面具有熱力學上的優勢（圖1f），有力地表明TB和SF位點構成了高效還原NO2-的高活性中心。

圖2 TB/SF-Co催化劑的表征

Ampere-level ammonia synthesis through grain boundary engineering，Nature Synthesis，2026.

https://www.nature.com/articles/s44160-026-01026-3

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