澳大利亞莫納什大學等機構的研究人員開發出一種新型鋰合金化電極，突破了電化學合成氨面臨的能效瓶頸，可顯著降低利用可再生電力合成氨所需的能量。該成果有望推動氨生產擺脫對化石燃料的依賴。相關研究9日發表於《Cell Press Blue》期刊。

氨是全球農業生產的重要原料，廣泛用於制造氮肥。近年來，氨還被視為一種潛在的無碳燃料和能源載體。目前，傳統合成氨主要依賴大型集中式工廠，難以充分利用分布在不同地區的可再生能源，尤其是那些因地理位置偏遠或輸電條件受限而未能得到有效利用的能源。利用可再生電力進行電化學合成，有望為氨生產提供更加靈活的選擇。

然而，氮氣分子結構極其穩定，難以直接轉化為氨。現有的一種電化學合成方法利用鋰幫助活化氮氣，雖然能夠以實用的速率生產氨，但反應過程存在固有的能效限制。如何在保持氮氣活化能力的同時降低能耗，成為研究人員需要解決的關鍵問題。

為此，研究人員與澳大利亞皇家墨爾本理工大學合作，改變了傳統電極的材料設計。他們沒有採用在常規電極上生成金屬鋰的方式，而是使用鎵基材料，使其與鋰形成合金。通過這種設計，鋰介導的反應能夠在更有利的電勢條件下進行，同時仍能有效活化氮氣並生成氨。

實驗結果顯示，在優化條件下，新型電極的氨法拉第效率達到96%±6%。法拉第效率反映了通過電極的電荷中有多大比例用於目標反應，這一結果表明，絕大部分電流都用於合成氨。不過，法拉第效率並不等同於整個系統的能量效率，后者還受到電解過程所需電壓等因素影響。

研究人員估計，採用這一技術的電化學合成氨系統，未來能量效率有望達到至少22%。這項概念驗証研究表明，通過調整陰極材料的組成，有可能突破長期制約鋰介導合成氨的能效限制，也為探索不同材料組合、在相對溫和的條件下活化氮氣提供了新的研究空間。

研究人員表示，下一步將把新型鋰合金化陰極集成到更接近實際生產條件的電解槽原型中，擴大陰極材料的制備規模，並驗証其長期穩定運行能力和能效表現。隻有進一步提高效率、實現穩定生產，才能推動這項技術走向商業應用。（記者張佳欣）