第一作者：Wesley Chang, Anukta Jain, Fateme Rezaie

通訊作者：Karthish Manthiram

通訊單位：加州理工學院

成果速覽：

本研究深入探討了锂介導的氮氣還原反應（LiNRR），這是一種在環境條件下生産氨氣的電化學途徑。研究依賴于催化固態電解質界面（SEI）的形成，這是一層由锂金屬表面還原電解質分解形成的納米級鈍化層。 通過系統分析固態電解質界面內的觀察到的化學物質和反應，總結了關鍵的發展動態，並強調了不同的電解質組成、電池設計和操作條件對氨選擇性和速率的影響。 研究提供了氨法拉第效率（FE）高達99%的成果，以及在15 bar壓力下高達1 A cm−2的速率。

圖文導讀：

圖1：展示了LiNRR循環的示意圖，包括溶液、固體和氣體的表示，以及陰極和陽極反應的示意圖。同時，介紹了LiNRR在單室批處理電池、平行板流動電池和氣體擴散電極（GDE）流動電池中的進行方式。此外，圖中還展示了在優化條件下LiNRR的氨FE數據。

圖2：描述了在含LiBF4和乙醇的THF中進行LiNRR的反應網絡。圖中用橙色箭頭表示質子循環，綠色箭頭表示氮循環，灰色箭頭表示锂循環。

圖3：比較了不同電解質鹽和電池形式因素下的氨選擇性和速率。圖中的標記顔色表示電池類型，形狀表示電解質鹽類型，大小表示氮氣壓力。圖中展示了使用LiNTf2、LiBF4和LiClO4三種主要鹽的已發表數據。

亮點介紹：

1. 研究揭示了催化固態電解質界面（SEI）的獨特納米結構環境，對産物選擇性産生重要影響。

2. 實現了高達99%的氨法拉第效率（FE），並在15 bar壓力下達到了1 A cm−2的高速率。

3. 通過改變電解質組成、電池設計和操作條件，研究提取了氨選擇性和速率的趨勢，爲LiNRR的持續發展指明了方向。

4. 研究推動了對LiNRR中SEI化學和結構的深入理解，爲未來的電池設計和系統工程提供了重要的基礎。

高端表征-冷凍透射電鏡：

在論文中，研究者用冷凍透射電鏡（cryo-TEM）來揭示固態電解質界面（SEI）的納米級結構。通過這種表征技術，研究人員觀察到SEI中存在由電解質分解形成的無機和有機化合物。具體來說，當使用LiBF4電解質鹽和THF溶劑時，cryo-TEM分析顯示了與LiOH和LiF化合物相一致的晶格間距，表明這些化合物在SEI的結構中起到了重要作用。

此外，研究還發現，加入乙醇後，SEI中出現了更多的乙醇分解産物，這些産物具有更短的碳鏈和更多樣化的含氧化合物，例如锂乙氧化物。這些觀察結果對于深入理解SEI的形成機制和其在锂介導氮氣還原反應中的作用至關重要。通過cryo-TEM技術的應用，研究人員能夠更直觀地理解SEI的組成和結構，爲優化锂介導的氮氣還原反應提供了重要的結構信息。

文獻信息： Wesley Chang, Anukta Jain, Fateme Rezaie, Karthish Manthiram. Lithium-mediated nitrogen reduction to ammonia via the catalytic solid–electrolyte interphase[J]. Nature Catalysis, 2024, 7: 231-241.

DOI: 10.1038/s41929-024-01115-6