综述：单原子、双原子和纳米团簇电催化剂在可持续氨合成中的研究进展

这篇综述系统梳理了电化学氮还原反应（NRR）领域的最新进展，重点探讨了单原子（SACs）、双原子（DACs）和纳米团簇催化剂在替代传统Haber-Bosch工艺中的潜力，分析了反应路径、选择性挑战（如与HER竞争）及催化剂设计策略，为绿色氨合成提供了前瞻性视角。

　　

引言

氨（NH₃）作为化肥生产和绿色能源载体的核心原料，其传统合成依赖高能耗的Haber-Bosch工艺（需400–550°C高温和15–25 MPa高压），消耗全球1–2%能源并排放大量温室气体。电催化氮还原反应（ENRR）利用可再生能源驱动N₂与H₂O直接合成NH₃，成为极具潜力的替代方案，但面临N≡N键解离能高（941 kJ mol^?1）、竞争性氢演化反应（HER）等挑战。

阳极与阴极反应机制

ENRR装置可分为单室电解槽和H型电解槽等五类（图1），其中气-液-固三相界面易引发HER，需通过催化剂设计抑制。阴极反应路径包括解离式、缔合式和Mars-van Krevelen机制，而阳极通常发生析氧反应（OER），整体效率受催化剂活性位点与传质过程调控。

单原子催化剂（SACs）

SACs通过原子级分散的金属位点（如Fe、Mo）最大化原子利用率，其独特的电子结构可增强N₂吸附并降低反应能垒。例如，锚定在氮掺杂碳上的Ru单原子表现出高达21.3%的法拉第效率（FE），但稳定性仍是瓶颈（表1）。

双原子催化剂（DACs）与纳米团簇

DACs通过双金属协同效应（如Fe-Co对）优化N₂活化路径，而纳米团簇（如Au₈）则利用尺寸效应调控电子转移。研究表明，Pt₃团簇在界面处可形成局部质子浓度梯度，显著抑制HER干扰。

结论与展望

当前ENRR研究需解决三大矛盾：假阳性结果验证（如Bi、MoS₂催化剂的争议）、低FE（普遍<30%）及催化剂寿命短。未来方向包括开发非水系电解液、构建原子级精准活性中心，并耦合原位表征技术揭示反应动态过程。

（注：全文严格基于原文缩编，未添加非文献内容，专业术语如NRR、FE等均按原文格式标注。）