近日，西安交通大学杨贵东教授团队在空气-水合成氨领域取得关键突破，成功构建了一个集成了微波等离子体活化与放大MEA电催化的串联氨合成平台，实现了在安培级电流密度下从空气和水直接合成氨，相关成果以“Ampere-level ammonia synthesis through grain boundary engineering”为题，在国际权威期刊Nature Synthesis在线发表。西安交通大学为唯一通讯单位，化工学院刘威博士为第一作者，杨贵东教授和欧鸿辉研究员为共同通讯作者。
杨贵东，西安交通大学教授，化学工程与技术学院院长。担任氟氮化工新材料全国重点实验室副主任、陕西省能源化工过程强化重点实验室主任等职务。先后获得第五届“青山科技奖”、中国青年科技奖、陕西省自然科学奖一等奖、中国石油和化学工业联合会科技进步奖一等奖、青年创新奖，侯德榜化工科学技术奖创新奖、青年奖等奖项。
氨（NH₃）是重要的肥料原料和清洁能源载体。但传统的哈伯-博世法合成氨能耗巨大、碳排放严重。因此，开发温和条件下的电化学氨合成技术成为研究热点。然而，直接以氮气（N₂）为原料进行电化学还原，面临N₂分子惰性强、溶解度低的挑战，导致氨产率与法拉第效率极低。
为解决这一问题，研究者提出了将非热等离子体活化与电催化相结合的“空气 → NOₓ→NH₃”串联路径。尽管该路径前景广阔，但现有等离子体源存在空气处理量小、NOₓ产率低的缺陷，且缺乏高效的电催化剂，导致系统整体性能受限，远未达到工业化所需的安培级电流密度。
图1 以空气与水为原料电催化合成氨路径图
杨贵东教授团队通过“晶界工程”策略，成功开发出一种富含孪晶界（TBs）和堆垛层错（SFs）的改性钴阴极（TB/SF-Co），用于高效选择性电催化还原亚硝酸根（NO₂⁻）。
理论分析表明，TBs和SFs缺陷能够上移Co的d带中心，从而增强对NO₂⁻的吸附并促进中间体的加氢过程。该催化剂在NO₂⁻转化为NH₃的过程中，实现了-1.73 A cm⁻²的高分电流密度和96.7%的法拉第效率。进一步将该高性能阴极与微波等离子体空气活化模块（MPAA）耦合，构建了MPAA–ENitR串联系统，实现了从空气到氨的高效合成（图1）。
该系统在总电流超过101 A（100 cm²并联电解槽）的条件下，空气到NO₂⁻产率达到0.745 mol h⁻¹，NO₂⁻到NH₃产率达到0.619 mol h⁻¹，法拉第效率超过95%，性能达到或超越了当前国际同类研究的先进水平。
技术经济分析（TEA）表明，电力成本是决定该技术经济性的主导因素，其中MPAA和ENitR的耗电分别占总成本的80.41%和15.12%。单变量敏感性分析指出，提升等离子体效率（即NOₓ生成速率）和降低电价是降低氨生产成本的关键。随着未来可再生能源电价的持续下降和等离子体技术的进步，该串联工艺有望实现低于当前市场价的氨生产成本。
该成果对接我国绿氨合成高质量发展重大需求，契合国家“双碳”战略导向。本研究不仅为绿色、分布式、模块化氨生产开辟了一条可行的路径，也为该团队国际首例常温常压下空气-水电催化合成氨百吨级示范装置的构建提供了重要的科学依据和技术支撑。
研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西自然科学基金等项目支持。
作为我国最早兴办、享誉海内外的著名高等学府，西安交通大学聚焦世界科技前沿、国家重大需求、国民经济主战场、人民生命健康等方面，以应用研究倒逼基础研究，以基础研究支撑应用研究，探索有组织的基础研究管理模式，着力打造国家战略科技力量，高水平创新成果不断涌现。迁校以来，学校创造了百余项国内外科学研究领域的“第一”，创造了30000余项科研成果，其中252项获得国家三大奖，产生了数以千亿计的经济社会效益。
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素材来源：西安交通大学新闻网、官微
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