频年来，为了竣事“双碳”认识，电气化合成氨技艺备受存眷。永久参议这一领域的上海科技大学林柏霖训诫也不例外。
图 | 林柏霖（来源：林柏霖）
不外，他和团队的参议切入点稍有不同。近日，该课题组从能耗角度启航，针对电气化合成氨加以全面分析，为电化学合成氨提供了一个进击视角。
参议中，他们网罗了锂介导工艺的性能参数，借此发现按照现在的工艺性能，锂介导电合成氨能耗远高于工业合成氨的能耗（卓越 30 倍）。
即使达到了 100% 的能量调动恶果，电解能耗也比哈伯法高一个数目级。因此，从热力学角度来判断，现时热点的由锂或钙介导的电合成氨技艺不能能达到比哈勃工艺更低的能耗水平，需要另寻它路。
此外，在金属介导的电化学合成氨中，氨主要溶化在电解质中。从电解质溶液等分离出纯氨比拟于气相分离（哈伯-博施法）要复杂。
商量到其他金属也可能适用于电化学合成氨工艺，因此他们探讨了“该使用什么金属来介导从氮气和氢气电化学合成氨”这一问题，通过配置一个表面分析样式，课题组给出了解答。
图 | 金冬玲（来源：金冬玲）
时代，他们评估了元素周期表中前六行金属手脚介导材料时的电化学合成氨能耗。
借此发现：当把某些过渡金属手脚介导材料时，所打造的电化学合成氨工艺，具有能耗低于哈伯法的后劲。
关联词，只消像锂和钙这么的活性金属材干在环境要求下复原氨气。以往践诺常常需要在高温环境下活化氨气。
因此，如安在保抓响应活性的同期降顽劣量本钱，是金属介导电化学合成氨工艺濒临的枢纽挑战。
此外，固氮酶在环境要求下具有显耀的氮气复原才略，其催化经过包括一系列电子和质子调动法子，与电化学经过较为相似。
由此可见，开辟肖似固氮酶的多组分材料，来介导甚而催化氨的电合成，是一条潜在的可行门路。
总的来说，电化学合成氨技艺天然具有营救小界限和分散式合成氨的上风，然则就现在的实质情况，该技艺难以在工业上落地。
淌若那些具有与哈伯法突出能耗的金属介导材料也具有环境要求下的复原氮气才略，那么由这种金属介导的电合成氨技艺，就有望为土产货化出产带来创新性的新机遇。
（来源：JACS）
关于本次参议的关系论文，审稿东谈主合计该团队的热力学分析是径直且有劲的，所得出的论断具有很高的劝服力。
并合计他们正确地指出了千里积锂和千里积钙所需要的高负电位，会导致能源恶果低下的问题。
同期，关于课题组建议的其他金属在能耗角度的可能性，审稿东谈主合计这些金属淌若大略激活氮气将会瑕瑜常道理道理的参议标的。
总体而言，这些积极反馈不仅说明注解了本次职责在搪塞环境能源挑战上的进击性，也为该团队的后续参议注入了坚定能源。
评估锂介导电化学合成氨的能源可行性
据了解，合成氨手脚一种枢纽化工原料，无为应用于氮肥、化工家具和制冷剂的出产。
关联词，传统的哈伯-博施工艺（Haber-Bosch process）要在高温高压要求下进行。
这是一个能源密集型的出产经过，会导致无数的能源破钞、和无数温室气体的排放。
而本次神情来源于林柏霖课题组和碳谐科技公司关于可抓续合成氨技艺的共同兴趣。
鉴于合成氨的评估需求，碳谐科技陈安琪博士和林柏霖课题组集会开展了针对可抓续合成氨技艺的评估职责。
频年来，锂介导的电化学合成氨工艺在技艺上得回了紧要打破，关系论文已在 Science、Nature 等期刊发表，因此他们从锂介导电化学合成氨技艺运转进行评估。
锂介导电化学合成氨技艺通过将氮气和氢气离别引入电解槽的阴极和阳极来合成氨，与哈伯-博施工艺的净响应交流。
不同之处在于，锂介导工艺中金属离子领先复原为活性金属，然后锂金属再次复原为氮气。
能耗，是讨论合成氨技艺是否具备工业可行性的进击筹画。然则，已有文件穷乏关于能耗的客不雅评估。
该课题组合计，传统的哈伯-博施工艺天然在工业上得回了精深收效，但它关于化石能源的依赖、以及给环境带来的负面影响，使得东谈主们必须寻求愈加具有可抓续性的替代决策。
手脚一种新的发展趋势，电气化合成氨在频年来得回了显耀施展，极度是在锂介导电化学合成氨领域。
尽管关系文件标明，这不异式具备替代哈伯-博施工艺的后劲，然则多数参议未能充分商量工业应用可行性，以至于过度依赖可再生能源，况兼穷乏客不雅的评价。
因此，本次参议着眼于电气化合成氨技艺的工业落地可能性，并从评估锂介导电化学合成氨的能源可行性脱手。
（来源：JACS）
为学界夯实表面基础，为业界带来决策营救
参议来源，他们先是针对金属介导的电化学合成氨进行了文件回归。
借此发现：以氢气手脚质子源的锂介导电化学合成氨，大略在环境要求下进行合成，况兼在践诺层面上已被说明注解具有技艺可行性。
于是，他们凭据文件中锂介导合成氨践诺大略达到的最优性能，从能量破钞的角度对该技艺进行客不雅评估。
（来源：JACS）
在查找文件的时分，课题组发现其他金属比如钙金属，也能用于金属介导电化学合成氨工艺之中。
于是，他们也整理了其他金属的现存竣事性能参数，并对其进行能耗评估，以便全面意会不同金属在此经过中的能量恶果。
随后，针对元素周期表中的统统金属在手脚介导材料时的能耗，该团队通过热力学筹画对其加以分析，借此发现当把一些过渡金属手脚介导材料来用于电化学合成氨工艺时，所产生的能耗在热力学上低于哈伯法。
在筹画经过之中，他们愚弄了水溶液中的金属复原电势。关于金属介导电化学合成氨技艺来说，它一般遴选有机溶剂手脚电解质，是以针对有机溶剂和水溶液中的金属复原电势和氢复原电势之差，该团队也进行了比较。
通过此，其发现由于电解质变化引起的阴极电势变化，会被阳极电势的相应变化所对消，是以通盘电板电压的变化相对较小。
于是，他们连续基于水溶液中的复原电势，开展了后续的统统分析。
最终，关系论文以《从热力学的角度来看，应该用什么金属来和洽从氮和氢中电合成氨？》（What Metals Should Be Used to Mediate Electrosynthesis of Ammonia from Nitrogen and Hydrogen from a Thermodynamic Standpoint？）为题发在 JACS（IF 15）。
金冬玲是第一作家，林柏霖担任通信作家。
图 | 关系论文（来源：JACS）
据先容，在室温要求之下，一般只消碱金属材干竣事氮气活化。而无数践诺参议标明，过渡金属一般王人需要高温材干活化氮气。
在环境要求之下，固氮酶具有显耀的氮气复原才略。其催化经过包括一系列电子和质子的调动法子，与电化学的经过较为相似。
值得堤防的是，固氮酶的催化位点由铁、钼和硫三元素构成。其中，铁和钼元素手脚介导材料的电合成氨能耗在热力学上接近哈伯工艺。
因此，他们合计开辟肖似固氮酶的多组分材料，来介导甚而催化氨的电合成，是一条潜在的可行门路。
然则，这些工艺王人需要从工业化角度判断其是否具有可行性。是以，如安在保抓响应活性的同期降顽劣量本钱，是金属介导电化学合成氨工艺濒临的枢纽挑战。
现在，合成氨工艺有好多阶梯，包括金属介导电化学合成氨、硝酸根电复原、等离子体固氮技艺。
后续，针对统统类型的合成氨技艺，他们将从能耗、经济、环境、技艺等多角度进行客不雅评价，但愿不仅能为学界提供一定的参议基础，也能为计谋制定者和业界提供决策营救。
参考贵寓：
1.Jin, D., Chen, A., & Lin, B. L. (2024). What Metals Should Be Used to Mediate Electrosynthesis of Ammonia from Nitrogen and Hydrogen from a Thermodynamic Standpoint?. Journal of the American Chemical Society.
运营/排版：何晨龙
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