可再生电力驱动的电化学氮还原反应(NRR)制氨(NH₃)是目前能源密集型、依赖化石原料的Haber-Bosch (H-B)工艺的一种有前途的替代方法。N₂分子的固有惰性和析氢反应(HER)的竞争是NRR面临的主要挑战。在过去几年中，具有可调电子结构和易于形成缺陷的碳基材料显着提高了电催化 NRR 活性。因此，对碳基NRR催化剂的研究进展进行综述是很有必要的。

有鉴于此，荷兰阿姆斯特丹大学N. Raveendran Shiju和河北工业大学于丰收副教授等人，综述了各种缺陷工程策略在碳基电催化剂发展中的应用。详细讨论了缺陷碳材料的结构与NRR性能之间的内在关系。

本文要点

1）全面概述了用于电化学 N₂ 到 NH₃ 转化的碳基催化剂。对于杂原子掺杂的碳材料，具有强或弱电子亲和力的相邻杂原子诱导碳框架中电荷和自旋密度重新分布，导致非电子中性位点。作为路易斯酸的非电子中性碳或杂原子促进了 N₂ 吸附，这是 NRR 的前一步，并抑制了 HER，为 NH₃ 提供了高转化效率。共掺杂策略可以提高活性位点的密度，从而进一步提高催化活性。缺陷附近碳原子的电荷密度与基面碳原子的电荷密度显著不同，表现出较好的NRR活性。对于碳基 SAC，原子分散的金属中心可以与碳基质中的 N 或其他杂原子（例如 M-N 和 M-O）配位，不饱和配位环境导致大量电荷从活性金属转移到载体，导致缺电子金属和对 N₂ 吸附和后续活化的高亲和力。

2）这一领域的研究已经取得了很大的进展，但在实现实际应用之前还有一些问题和挑战需要解决。首先，目前的机理理解主要依赖于理论计算，但NRR是非常复杂的。因此，原位FTIR和质谱等光谱技术用于中间体的检测是机理研究的迫切需要。第二，与分子催化剂一样，SACs的催化性能也会受到配体效应的影响。然而，由于高温等合成条件恶劣，在SACs载体上引入特定官能团仍然是一个挑战。因此，应开发简便的SACs合成和修饰策略。第三，一些催化剂的法拉第效率高于50%，而高选择性仅在低过电位和较慢的NH₃生成速率下才能实现。

参考文献：

Lu-Hua Zhang et al. Carbon-Based Catalysts for Selective Electrochemical Nitrogen-to-Ammonia Conversion. ACS Sustainable Chem. Eng., 2021.

DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c00575

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c00575