一、【科学背景】
一个世纪前问世的哈伯-博施法彻底革新了化肥生产工艺，至今仍是人工合成氨的主流技术，为农业生产与化工领域的发展奠定了重要基础。但该工艺需要严苛的高温高压反应条件，不仅能耗高，还伴随大量碳排放，与当前绿色低碳的发展趋势相悖，因此亟需开发常温常压下的高效合成氨新方法。
电化学锂介导氮气还原制氨技术因可在常温常压下实现氮-氨转化，成为极具潜力的替代技术路径，也被视作解决传统合成氨技术固有缺陷的重要突破口。但该技术的氨产率与反应效率长期受限于固体电解质界面（SEI）处锂离子脱溶与扩散动力学缓慢的问题：SEI内锂离子扩散系数低至10-21 m2 s-1，锂离子传输受阻直接导致锂沉积过程被抑制，反应区持续向SEI/电解质边界收缩，大量电极表面暴露后会促进析氢副反应发生，与氮气还原形成竞争，最终使得锂介导氮气还原体系中氨的部分电流密度长期受限在8 mA cm-2，反应效率大幅降低。
此外，现有研究中虽可通过高压批量电解体系提升氮气还原的电流密度，但高压条件会显著增加系统能耗，且批量反应器的设计使该技术的能量效率仅约3.0%，同时无法实现氨的连续化生产，难以满足实际应用需求。而传统SEI结构无法兼顾锂离子脱溶与传输的双重需求，成为制约锂介导氮气还原制氨技术向高电流密度、高效率、连续化发展的核心瓶颈。
二、【创新成果】
为解决锂介导常温常压氮气还原制氨中， SEI锂离子脱溶和扩散缓慢导致氨产率低、副反应显著的核心问题，上海交通大学李俊副教授和苏州大学程涛教授等人设计出 LiF/Li₂CO₃/Li₃N 协同脱溶-扩散层状 SEI 结构，解耦锂离子脱溶与扩散过程，实现锂离子通量提升两个数量级。在2 M LiDFOB电解液的连续流体系中，该结构于100 mA cm-2高电流密度下实现98 %氨法拉第效率、21%能量效率，40小时内维持80%以上效率，还通过理论计算与表征明确了离子传输机制，突破了该技术的传质限制，为常温常压电化学制氨提供了新的高效策略。该成果以“Enhanced Li-ion diffusion improves N2-to-NH3 current efficiency at 100 mA cm-2”为题发表在国际学术期刊《Science》。
图1. 锂介导氮气电解的极限电流与离子传输型固体电解质界面膜。© 2026 AAAS
图2. 协同脱溶-扩散层状结构。© 2026 AAAS
图3. DFT计算。© 2026 AAAS
图4. 100 mA cm-2下锂介导氮气还原合成氨的电化学性能。© 2026 AAAS
三、【科学启迪】
这项工作解决了锂介导常温常压电化学氮还原制氨中，SEI锂离子脱溶与扩散缓慢、高电流密度下效率低且副反应显著的核心问题，通过设计功能分层的协同脱溶-扩散层状SEI结构，实现了锂离子传输效率的大幅提升，让高电流密度下高效、稳定的氨合成成为可能，还明确了该体系的离子传输与性能衰减机制。这一思路可推广至锂基电池、其他气体电还原等涉及离子传输的电化学体系，为界面结构优化提供通用范式。
原文信息：Qiang Zhang et al. ,Enhanced Li-ion diffusion improves N2-to-NH3 current efficiency at 100 mA cm−2. Science 391, 724-729 (2026).
