天津大学团队破解低温下氨电催化反应的关键难题

记者8月20日从天津大学获悉，该校机械工程学院、能源学院的焦魁教授课题组，围绕电催化氨氧化反应的动力学特性开展系统研究，为低温氨—电转换技术的工程应用提供了机理分析与理论指导。该成果于8月17日发表于《国家科学评论》。文章的通讯作者为焦魁教授，共同第一作者为博士生赖彦辰与王博文教授。

氨，作为一种高能量密度的无碳燃料，被视为未来储存和运输可再生能源的理想“载体”。然而，传统上氨能的高效利用往往需要高温条件（如高温氨裂解制氢），这限制了其在小规模、分布式场景下的应用。电催化氨氧化反应（AOR）是在适温下（25—80℃）实现氨能直接利用的一条有效途径，它既可以与氧还原反应联用，构成直接氨燃料电池用于电力生产，又可以与析氢反应耦合，构成氨电解池用于氢气制取。

但AOR过程非常“敏感”“善变”。温度、氨水浓度、电位等环境因素稍有变化，反应动力学就会表现出复杂的变化，而且这种变化规律长期以来并不清晰，成为制约直接氨燃料电池和氨电解池实际性能提升的“瓶颈”。

课题组针对这一痛点，自主搭建了一套能够灵活模拟多种工况的AOR测试体系。他们将电化学“体检”（测试）与原位表面增强拉曼光谱（一种可以实时“捕捉”反应中间物种的技术）相结合，像“现场直播”一样观察了反应过程中分子层面的动态变化。

研究中最关键的发现是：在常用的铂铱合金（PtIr）催化剂上，AOR并非只走“独木桥”。除了已知的传统反应路径外，还存在一条额外的氮氧化还原循环旁路。这条旁路会产生一种叫*N3的活性中间体，它像个“钉子”一样牢牢吸附在催化剂表面，占用了宝贵的催化活性位点。这解释了一个长期困扰领域的现象——为什么当氨水浓度过高时，反应反而会“自我抑制”变慢。

为了把这些复杂的现象用数学语言描述出来，团队对经典的电化学动力学方程（Butler-Volmer方程）进行了巧妙的简化，使其能精准描述AOR主反应在活化电位区的行为。由此，团队成功求解出两个核心动力学参数——交换电流密度（反映反应本征活性的“基因”）和传递系数（反映电位对反应推动效率的“杠杆”），并系统揭示了这两个参数随温度、浓度等工况条件变化的规律。

更进一步，研究团队引入了多元回归算法，将反应起始电位、交换电流密度这些关键指标与外部工况参数之间的复杂关系，提炼成简洁的定量函数公式。这意味着，今后科研人员只需输入特定的温度、浓度等条件，就能提前预测该工况下的AOR动力学表现，无需每次都重复繁琐的实验试探。

焦魁表示，这项研究从机理上厘清了多工况下AOR的“脾气秉性”，不仅为理解反应过程提供了新视角，更为后续开展低温氨燃料电池/电解池的仿真模拟、运行策略优化等应用研究，递上了一把重要的“理论钥匙”。

（天津大学供图）

主题：电催化氨氧化反应