综述：电催化硝酸盐还原制氮产物：氨、尿素及氨基酸合成的路径、催化剂与机制

这篇综述系统阐述了电催化将硝酸盐废物转化为氮产物（包括氨（NH3）、尿素和氨基酸）的三大路径：选择性还原（法拉第效率>95%）、C-N耦合（尿素产率68%）及氨基酸合成（以NO2?和NH2OH为中间体）。通过分析催化剂设计（如单原子合金、晶面调控氧化物）与反应器创新（脉冲电解、气体扩散电极），为可持续氮循环提供了从污染物到高值化学品的转化路线图，兼具经济性（氨成本$0.42/kg）与环保价值。

　　

环境负担与合成氨基酸的全球需求

全球氮循环因哈伯-博世（Haber-Bosch）工艺的广泛应用而失衡，人为氮输入已超过自然固氮150%。硝酸盐污染与合成氨基酸需求形成尖锐矛盾——前者导致水体富营养化，后者依赖高耗能工业流程。电催化技术通过将硝酸盐转化为氨（NH₃）、尿素或氨基酸，有望同步解决环境与资源问题。

电催化路径：从氮气到氨基酸

最新研究显示，尖晶石氧化物ZnFe_0.4Co_1.6O₄可在1.6 V电压下实现130±12 μmol·h^?1·g^?1的硝酸盐产率，为氨基酸合成提供可持续原料。三条核心路径中：

1. 1.

   氨合成：单原子合金催化剂在-500 mA·cm^?2电流密度下实现>95%法拉第效率；

2. 2.

   尿素合成：晶面调控氧化物通过CO-NH₂耦合路径，产率达68%；

3. 3.

   氨基酸合成：酶启发催化剂稳定活性氮物种，对α-酮酸亲核攻击实现68%丙氨酸选择性。

分子蓝图：催化剂设计

表面晶面、氧空位（O_v）和缺陷化学的原子级调控是关键。例如，氮硫共掺杂碳基材料（NS-CNS）通过调控电子转移路径，将丙氨酸合成的法拉第效率提升至79.5%。

反应器：合成细胞器

脉冲电解技术将催化剂寿命延长5倍，气体扩散电极克服传质限制。仿生微环境设计（如局部pH控制）可抑制析氢副反应（HER），提升产物选择性。

数据驱动与工业化路线

高通量机器人平台加速催化剂筛选，人工智能优化反应条件。2050年路线图提出三大挑战：规模化催化效率（如电流密度>1 A·cm^?2）、经济性（尿素/氨基酸成本<$1.50/kg）及政策协同。

结论与展望

电催化硝酸盐还原为闭环氮循环提供多赢方案，但需解决中间体稳定性（如NH₂OH降解）和系统集成问题。未来研究应聚焦于跨尺度催化剂设计-反应器工程协同优化，推动该技术从实验室迈向工业化。