宁夏大学李晓曼/张虎山 | 电催化亚硝酸盐还原合成氨研究进展：反应机理、设计策略与未来展望

基础信息：

本文内容来自《Clean Energy Science and Technology》 第 3 卷第 3 期发表的 “Advances in electrocatalytic nitrite reduction to ammonia: Mechanisms, catalyst design, and future perspectives” (Online: 2025-09-25)

文章DOI:

https://doi.org/10.18686/cest414

引用格式：

Zhang H, Wang X, Luo M, Li X. Advances in electrocatalytic nitrite reduction to ammonia: Mechanisms, catalyst design, and future perspectives. Clean Energy Science and Technology. 2025; 3(3): 414. https://doi.org/10.18686/cest414

01 研究背景

亚硝酸盐（NO2−）不仅引起水体富营养化、土壤酸化，更会通过饮用水和食物链威胁人类健康，如导致高铁血红蛋白症（蓝婴综合征）。氨（NH3）不仅是制造化肥、炸药和精细化学品的“世纪基石”，更被视为一种零碳的航运燃料和绿色的氢能载体。然而，传统合成方法需要高温高压的苛刻条件，消耗全球约1-2%的能源，并产生大量二氧化碳。电催化亚硝酸盐还原合成氨（NO2RR）技术应运而生！它能够在常温常压下，利用废水、废气中的氮氧化物（NOₓ）为原料，直接将污染物转化为高价值的氨。这一过程完美实现了 “变废为宝” ，兼具环境修复与资源再生的双重使命，为可持续发展提供了创新解决方案。

02 研究亮点

1. 系统综述了电催化NO2−还原合成NH₃的反应机制，涵盖酸性与碱性条件下的反应路径。

2. 深入分析了多种催化剂设计策略：空位工程、单原子催化、合金/异质结构、杂原子掺杂、分子催化剂等。

3. 提出未来发展方向：原子级精准设计、原位机理研究、反应器工程、全生命周期评估等。

03 图文导读

3.1 反应机制

电催化还原亚硝酸盐到氨是一个复杂的六电子转移过程，氮的化合价从+3降至-3。整个反应路径犹如一个“分岔路口”，中间体的走向决定了最终产物是NH3还是副产物N2。因此，催化剂设计的核心在于优化关键中间体（如*NO, *HNO）的吸附能，引导反应朝向生成氨的方向进行。

3.2 先进的催化剂设计策略

系统阐述了电催化亚硝酸盐还原反应中多种催化剂设计策略，旨在提升其催化活性、选择性和稳定性。主要内容包括空位工程、原子级分散金属位点、界面工程协同催化、杂原子掺杂催化剂以及分子催化剂等五大类策略。这些方法通过调控催化剂的电子结构、优化中间体吸附能、增强电子转移效率以及构建协同活性位点，有效促进了亚硝酸根的吸附、活化和还原过程，从而提高了氨合成的效率与选择性。

各类策略均展现出独特优势：例如空位工程通过引入阳离子或阴离子空位增强反应物吸附与质子传递；单原子和双原子催化剂则通过最大化原子利用率与双位点协同机制降低反应能垒；异质结构和合金催化剂利用界面电子重构与多组分协同提升催化性能；杂原子掺杂和分子催化剂则通过精确调控配位环境与电子结构，实现高效、稳定的亚硝酸盐电还原。这些策略共同推动了该领域从“试错探索”向“理性设计”的转变，为绿色氨合成技术的实际应用奠定了基础。

图1. 催化剂的形貌表征以及亚硝酸根还原制氨性能图

图2. 催化剂合成及其亚硝酸根还原制氨流动池的设计

04 结论及展望

尽管电催化NO2RR技术前景广阔，但其从实验室走向产业化仍面临多重挑战。为实现这一目标，未来研究需致力于：在基础研究层面，通过原子级精准设计催化剂并结合先进的原位表征技术，深入理解并优化反应机制；在性能优化层面，通过创新策略（如设计疏水层、保护涂层等）同步提升催化剂的选择性与长期稳定性；在工程应用层面，则需开发可放大的反应器系统（如流动池），并将其与可再生能源耦合，同时攻克低能耗的氨分离技术瓶颈。最终，通过跨学科的协同创新，并辅以严格的技术经济与全生命周期评估，方能使这项绿色技术突破“绿色溢价”，成为实现“碳中和”目标的重要支柱，真正实现从环境修复到绿色合成的可持续发展闭环。

通讯作者简介

李晓曼，宁夏大学化学化工学院副教授，博士生导师，研究方向为催化新材料及光电反应工程；在Applied Catalysis B: Environment and Energy、Inorganic Chemistry、Journal of Catalysis 等著名国际期刊发表论文40余篇，编译专著1部，主持国家、省自然科学基金课题多项。

《Clean Energy Science and Technology 》是一份国际开放获取的同行评审期刊，出版频率为一年四期（季刊）。2023年7月在上海召开创刊编委会并正式创建，2023年9月创刊号上线。期刊由爱丁堡大学范先锋教授与北京化工大学杨卫民教授担任主编。本刊旨在以原创研究文章、综述文章以及评论等形式发表高质量的权威性和跨学科观点及成果，领域涵盖生物质能、太阳能、氢能、风电、清洁原子能，以及清洁能源的转换储存、材料装备及安全、系统优化、开发利用和清洁能源政策等多个板块。CEST的目标是创办清洁能源领域国际一流学术期刊，我们将始终贯彻高质量发展宗旨，坚守期刊发展目标。2024年12月CEST被Scopus数据库收录。2025年我们诚邀全球专家学者积极投稿！

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