2月13日，上证报记者从上海交通大学获悉，国际顶刊《科学》（Science）在线发表上海交通大学变革性分子前沿科学中心李俊团队研究论文，首次报道了一种在常温常压连续流条件下、实现100 mA cm²高电流密度与21%高能效的稳定电合成氨新体系。

百年哈伯法的低碳替代方案迎来曙光

　　合成氨是化肥工业的基石，关乎全球粮食安全。然而，统治行业近百年的哈伯-博施工艺依赖高温高压和化石燃料制氢，每年消耗全球约1%的能源供应，并产生约1%的二氧化碳排放。在“双碳”目标驱动下，如何以清洁电能替代化石能源、在温和条件下实现高效合成氨，成为全球化学与能源领域的重大科学挑战。

　　锂介导氮气电化学还原合成氨技术，被视为最具潜力的绿色替代路径之一。其原理是在电极表面形成的固体电解质界面（SEI）层中，锂离子与氮气反应生成氨。然而，该技术长期受困于两大瓶颈：一是SEI层离子传导率低，锂离子在高电流密度下迅速耗尽，导致反应界面收缩；二是去溶剂化能垒高，析氢副反应严重。此前，全球多支顶尖团队虽在电极设计和电解质优化上不断突破，但氨分电流密度始终被限制在8 mA cm²以下，且高压间歇电解能效仅3%，难以实现连续稳定生产。

　　面对SEI层离子传输能力不足这一难题，李俊团队跳出传统均质SEI设计思路，创新性地构建了一种功能分层的混合SEI结构——去溶剂化-扩散层状架构（DDLA）。该结构由三层无机相精确排布而成：LiF外层、LiCO离子传导通道中间层，以及与阴极接触的LiN界面层。

　　借助冷冻透射电镜与同步辐射X射线光谱等尖端表征技术，李俊团队首次在原子尺度解析了DDLA的构效关系。研究发现，LiF外层通过0.67 eV的低结合能特性显著加速锂离子去溶剂化过程，而LiCO中间层则形成三维离子渗透网络，锂离子迁移能垒仅需0.60 eV——较常规均质SEI体系的1.07 eV降低近一半。

　　这一设计将锂离子通量提升两个数量级，在10—20纳米尺度上建立了连续的离子传输梯度。尤为关键的是，DDLA内部对称分布的LiN晶畴与电解液界面形成分子级接触，为氮气还原提供了特异性活性位点，同时LiF/LiN异质界面显著抑制了析氢副反应。

　　这一“去溶剂化——传输——催化”三级联机制的揭示，不仅从原理上解释了DDLA电极在高电流密度下实现高效氮还原的本质，也为下一代高效合成氨电极的界面工程提供了明确的设计原则。

从实验室走向应用的关键一跃

　　基于上述机制突破，研究团队在流动电解池系统中对DDLA电极进行了系统验证。结果显示，在常温常压、100 mA cm²电流密度条件下，体系实现了98%的法拉第效率与21%的能量效率，并具备50小时连续运行的优异稳定性。这一数据不仅远超此前的8 mA cm²极限，更首次在连续流条件下实现兼具高电流密度、高选择性与长寿命的电合成氨运行。

　　值得注意的是，该研究揭示的分级离子传输机制并不仅限于电化学固氮领域。在金属空气电池、固态电解质电池等新能源器件中，电极界面离子传输同样是决定功率密度与循环寿命的核心因素。DDLA结构所体现的“功能分层、协同调控”策略，为上述领域的界面工程提供了全新思路。

　　“传统观念认为，高电流密度必然牺牲效率和稳定性。我们的工作证明，通过界面离子传输路径的精确调控，三者可以兼得。这一进展使得电合成氨从‘实验室现象’向‘工程化可能’迈出了实质性一步。”李俊表示，当前成果仍处于实验室阶段，距离百千瓦级电堆集成与工业化应用尚有距离。团队正在推进放大条件下的界面稳定性与成本优化研究，期待与产业界合作，加速绿氨技术的落地进程。