在电催化反应的“黑箱”中，催化剂的结构演变与化学态变化始终是未解之谜。大连理工大学柏力晨团队联合瑞士洛桑联邦理工学院、德国马普所，首次将空间分辨原位透射电子显微镜（in situ TEM）与时间分辨原位X射线透射显微镜（in situ TXM）结合，构建了电催化反应动态观测的“超级显微镜”系统。
这套跨尺度表征技术如同给催化剂装上“监控摄像头”，实现了对氧化亚铜纳米立方体在硝酸盐还原反应中原子级结构演变与价态变化的实时追踪。
实验设计的精妙性体现在多维度创新：团队自主研发的液相传感电解池，通过微流控技术精准控制反应液流速（0.1-10μL/min）与电位窗口（-0.5至-1.2 V vs RHE），确保微观反应环境与宏观电化学测试完全一致；针对电子束辐照损伤难题，通过脉冲电子束技术（曝光时间＜50 ms）与低温冷冻固定（-196℃），将催化剂原子位移损伤率降低至0.03%以下。这种“硬件创新+算法优化”的组合，使动态观测的时间分辨率达到50 ms，空间分辨率突破0.2 nm。
1、铜基催化剂的“变形记”：从氧化亚铜到活性中间体
氧化亚铜（Cu₂O）纳米立方体为何成为理想的模型催化剂？其{100}晶面的高表面能特性（表面能1.12 J/m²），使其在硝酸盐吸附过程中展现出独特优势。原位TEM图像显示，当施加-0.8 V电位时，Cu₂O纳米立方体边角首先出现原子级台阶结构，伴随晶格间距从2.56Å（Cu₂O）逐渐扩大至2.88Å（Cu⁺中间体），揭示了表面还原过程的空间异质性。同步辐射X射线吸收谱（XAS）则显示，Cu的K边能量从8983 eV（Cu²⁺）降至8979 eV（Cu⁺），证明反应过程中铜物种从+2价向+1价的转变。
颠覆哈伯法！电催化技术让氨合成能耗锐减 70% 成现实
更关键的发现在于动态结构-活性关联：当催化剂表面形成多孔Cu⁺-Cu⁰异质结时（Cu⁺占比65%），氨选择性可达92%，而单一Cu⁰相或Cu²⁺相的选择性均低于40%。原位拉曼光谱捕捉到NO₃⁻中间体在835 cm⁻¹处的特征峰，结合密度泛函理论（DFT）计算，揭示了反应路径的关键中间体为N₂O₂²⁻，其在Cu⁺位点的吸附能（-2.13 eV）显著低于Cu²⁺（-0.87 eV）与Cu⁰（-1.56 eV），印证了异质结结构的催化优势。
2、绿氨合成的“中国方案”：从实验室到产业生态
这项基础研究的突破，为绿氨产业的技术迭代提供了关键支撑。对比传统哈伯-博世法，电催化路径具有三大革命性优势：条件温和化（常温常压反应，能耗降低70%）、原料绿色化（利用可再生能源电力，实现“硝酸盐污染-绿氨生产”的闭环）、过程智能化（原位监测技术为全自动催化系统奠定基础）。中国作为全球最大氨生产国（年产量5400万吨，占全球30%），若实现10%产能转化为电催化绿氨，每年可减少碳排放超2000万吨，相当于种植12亿棵冷杉。
产业落地的关键在于催化剂工程与系统集成。柏力晨团队同步开展的原位光谱研究（发表于《美国化学会志》）显示，通过引入0.5%原子级Pt掺杂，可将Cu₂O的电子转移速率提升3倍，使氨产率从12.3μg cm⁻²h⁻¹提升至41.7μg cm⁻²h⁻¹。在系统层面，中试规模的“光伏电解-电催化合成”一体化装置已在内蒙古试点运行，该装置利用1 MW光伏阵列驱动电解水制氢（效率75%），结合固定床电催化反应器（容积50 L），实现了氨合成速率0.8 g L⁻¹h⁻¹的突破，为工业化提供了关键参数。
全球氨产业正经历一场深刻的技术变革。作为化工领域的“白色黄金”，氨不仅是化肥生产的核心原料，更被视为未来能源体系的关键载体。然而，传统哈伯-博世法合成氨面临高能耗（占全球能源消费1-2%）与高碳排放（年排放量超4亿吨CO₂）的双重挑战，而水体与大气中的硝酸盐污染更成为全球性环境难题。在“双碳”目标与绿色能源转型的驱动下，电催化硝酸盐还原合成绿氨技术成为科学界与产业界的焦点——如何在原子尺度揭示催化剂动态行为，成为突破技术瓶颈的核心命题。
3、未来战场：从单一催化到智能生态
电催化硝酸盐还原的技术突破，正在催生新的产业生态。在环境治理领域，该技术可将工业废水中的硝酸盐（浓度≤1000 mg/L）转化为高附加值氨，处理成本较传统离子交换法降低40%；在能源领域，结合液氨储运技术（-33℃液化，体积能量密度4.4 MJ/L），可构建“可再生能源-绿氨-氢能”的跨区域输运体系，破解氢能储运的世界性难题。
颠覆哈伯法！电催化技术让氨合成能耗锐减 70% 成现实
技术迭代的方向聚焦于多场耦合与智能调控。团队正在开发的“电场-温度-流体”多场协同原位表征平台，可模拟真实工况下的复杂环境（如pH 1-14、温度50-80℃）；基于机器学习的催化性能预测模型，通过分析百万级原位图像数据，实现了催化剂活性位点分布的精准预测（R²=0.92）。这些创新将推动电催化研究从“试错型研发”迈向“精准设计”时代。
在这场全球绿氨竞赛中，中国正以“基础研究-应用开发-产业示范”的全链条创新模式，确立技术引领地位。当原位显微技术揭开催化剂动态行为的神秘面纱，一个以绿氨为核心的新型产业生态正在崛起——它不仅是破解能源与环境困局的“中国方案”，更将重新定义全球化工产业的未来版图。从实验室的纳米立方体到工业化的万吨级装置，这场显微尺度的科学革命，终将在宏观世界掀起绿色转型的巨浪。
文章来源于——www.xianjichina.com
