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澳大利亚莫纳什大学等机构的研究人员开发出一种新型锂合金化电极，突破了电化学合成氨面临的能效瓶颈，可显著降低利用可再生电力合成氨所需的能量。该成果有望推动氨生产摆脱对化石燃料的依赖。相关研究9日发表于《Cell Press Blue》期刊。
氨是全球农业生产的重要原料，广泛用于制造氮肥。近年来，氨还被视为一种潜在的无碳燃料和能源载体。目前，传统合成氨主要依赖大型集中式工厂，难以充分利用分布在不同地区的可再生能源，尤其是那些因地理位置偏远或输电条件受限而未能得到有效利用的能源。利用可再生电力进行电化学合成，有望为氨生产提供更加灵活的选择。
然而，氮气分子结构极其稳定，难以直接转化为氨。现有的一种电化学合成方法利用锂帮助活化氮气，虽然能够以实用的速率生产氨，但反应过程存在固有的能效限制。如何在保持氮气活化能力的同时降低能耗，成为研究人员需要解决的关键问题。
为此，研究人员与澳大利亚皇家墨尔本理工大学合作，改变了传统电极的材料设计。他们没有采用在常规电极上生成金属锂的方式，而是使用镓基材料，使其与锂形成合金。通过这种设计，锂介导的反应能够在更有利的电势条件下进行，同时仍能有效活化氮气并生成氨。
实验结果显示，在优化条件下，新型电极的氨法拉第效率达到96%±6%。法拉第效率反映了通过电极的电荷中有多大比例用于目标反应，这一结果表明，绝大部分电流都用于合成氨。不过，法拉第效率并不等同于整个系统的能量效率，后者还受到电解过程所需电压等因素影响。
研究人员估计，采用这一技术的电化学合成氨系统，未来能量效率有望达到至少22%。这项概念验证研究表明，通过调整阴极材料的组成，有可能突破长期制约锂介导合成氨的能效限制，也为探索不同材料组合、在相对温和的条件下活化氮气提供了新的研究空间。
研究人员表示，下一步将把新型锂合金化阴极集成到更接近实际生产条件的电解槽原型中，扩大阴极材料的制备规模，并验证其长期稳定运行能力和能效表现。只有进一步提高效率、实现稳定生产，才能推动这项技术走向商业应用。
（文章来源：科技日报）
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