俗稱阿摩尼亞的氨（ammonia，化學(xué)分子為NH₃）被視為現(xiàn)今世代具發(fā)展?jié)摿Φ臒o(wú)碳能源載體，但由于生產(chǎn)氨的過(guò)程十分耗能，致使科學(xué)家急于尋找解決方案。香港城市大學(xué)（城大）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，最近便研發(fā)了一款以雙金屬合金制成的超薄納米催化劑，以改善把硝酸鹽（NO₃^-）制成氨的電催化反應(yīng)的效能，從而為未來(lái)開(kāi)發(fā)碳中和燃料提供巨大潛力。

氨不但是一種常見(jiàn)于農(nóng)業(yè)肥料中的化學(xué)成分，近年科學(xué)家更發(fā)現(xiàn)，氨可以為燃料電池提供氫氣來(lái)源，而且比氫氣更易于液化和運(yùn)輸。基于外界對(duì)氨的關(guān)注和產(chǎn)量需求與日俱增，透過(guò)從受氨制化肥污染的廢水中，抽取硝酸鹽（NO₃^-）并產(chǎn)成氨，已成為一項(xiàng)可取代傳統(tǒng)產(chǎn)氨的替代方案，以提高現(xiàn)今農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性。

目前，“電催化硝酸鹽還原反應(yīng)”（nitrate reduction reaction，簡(jiǎn)稱NO₃RR）被視為是一種可合成氨的有效方案，而NO₃RR主要透過(guò)金屬基電催化劑以“脫氧”和“氫化”等反應(yīng)所組成（化學(xué)反應(yīng)式為NO₃^- + 9H⁺ + 8e^- → NH₃ + 3H₂O）。不過(guò)，負(fù)責(zé)帶領(lǐng)這次研究的香港城大化學(xué)系范戰(zhàn)西教授解釋NO₃RR仍有所不足，他說(shuō)：“NO₃RR過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不良副產(chǎn)物和具競(jìng)爭(zhēng)性的‘氫氣釋放反應(yīng)’（hydrogen evolution reaction，又稱析氫反應(yīng)），嚴(yán)重窒礙了氨的生產(chǎn)產(chǎn)量。” 

過(guò)往研究集中調(diào)整催化劑的大小或尺寸，不過(guò)范教授的研究團(tuán)隊(duì)則專注于改善電催化劑的“活性位點(diǎn)”（active sites）——于電催化劑表面可與反應(yīng)底物分子（substrate molecules）結(jié)合和發(fā)生催化反應(yīng)的位點(diǎn)。

范教授解釋說(shuō)：“釕（Ruthenium，化學(xué)符號(hào)為Ru）是常用于NO₃RR作為電催化劑的金屬物料，但因上述提及的氫氣釋放反應(yīng)，導(dǎo)致其活性位點(diǎn)被大量冗余的氫氣占據(jù)，令硝酸鹽還原成氨的空間不足。”

為了解決以上難題，研究團(tuán)隊(duì)嘗試在釕制電催化劑引入另一金屬——鐵（化學(xué)符號(hào)為Fe），以調(diào)節(jié)其活性位點(diǎn)的原子配位環(huán)境（atomic coordination environment），從而改善釕的電子結(jié)構(gòu)和表面特性，提升整體催化活性（catalytic activity）來(lái)提高氨的產(chǎn)量。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)又以“一鍋合成法”（one-pot synthesis）將新研發(fā)的雙金屬合金物料，組制成花狀結(jié)構(gòu)的超薄納米片，稱之為“釕鐵（RuFe）納米花”，以進(jìn)一步提升它作為電催化劑的反應(yīng)效能。 

新研發(fā)的雙金屬合金電催化劑，因具有互補(bǔ)軌道，可助達(dá)到高效的電子轉(zhuǎn)移和穩(wěn)健的電子價(jià)態(tài)，從而令它擁有高度穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，并可抑制氫氣釋放反應(yīng)和降低NO₃RR的所需能量。而且，釕鐵納米花的電化學(xué)活性位點(diǎn)，其表面面積達(dá)267.5平方厘米，遠(yuǎn)多于釕納米片的105平方厘米，提供了更大的空間進(jìn)行相關(guān)反應(yīng)。

值得一提的是，新研發(fā)的釕鐵納米花在制造氨的過(guò)程中，于?0.30 V供電下仍展現(xiàn)出高達(dá)92.9%的電荷轉(zhuǎn)移效率（又稱“法拉第效率”），而在?0.65 V供電下的氨生產(chǎn)率亦達(dá)38.68 mg h^?1 mg_cat^?1 ，是單一使用釕納米片作為電催化劑的6.9倍，充分展現(xiàn)出釕鐵納米花的電催化效能。

“今次的研究證明釕鐵納米花在下一代電化學(xué)能源系統(tǒng)中有莫大應(yīng)用潛力。”范教授續(xù)說(shuō)：“我們相信今次的工作可激發(fā)更多后續(xù)研究，探討如何透過(guò)調(diào)節(jié)用于生產(chǎn)氨的金屬基催化劑，特別是其活性位點(diǎn)的原子配位環(huán)境，進(jìn)一步促進(jìn)可循環(huán)再用的氮?dú)猓╪itrogen）生態(tài)圈，以實(shí)現(xiàn)無(wú)碳能源的愿景。”

上述研究成果已于科學(xué)期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表，題為〈Atomic coordination environment engineering of bimetallic alloy nanostructures for efficient ammonia electrosynthesis from nitrate〉。

本次研究的共同第一作者為城大化學(xué)系博士生王云豪先生、周靜雯先生和熊岳城先生，以及來(lái)自香港理工大學(xué)（理大）的孫明子博士。研究的通訊作者為范教授、理大的黃勃龍教授、清華大學(xué)的谷林教授，以及中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的儲(chǔ)勝啟博士。這項(xiàng)研究獲得中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、香港研究資助局、創(chuàng)新科技署及香港城大的支持。