北京時間2026年2月13日，上海交通大學變革性分子前沿科學中心李俊團隊在 《科學》（Science） 上在線發表了題為“Enhanced Li-ion diffusion improves N₂-to-NH₃ current efficiency at 100?mA?cm^-2” 的研究論文。研究團隊首次報道了在常溫常壓連續流條件下100 mA cm^-2高電流密度和21%高能效的穩定電合成氨新體系，為綠氨規模化生產提供了顛覆性技術路徑。

傳統哈伯-博施工藝合成氨依賴高溫高壓（400-500°C、10-30 MPa）和化石燃料，占據了全球約1%的CO₂排放。在“雙碳”目標背景下，鋰介導氮氣電化學還原合成氨技術為高效制氨提供了新路徑，其核心挑戰在于提升反應選擇性與加速傳質速率。該過程依賴電極表面固體電解質界面（SEI）層調控鋰離子傳輸，但現有SEI層存在離子傳導率低、去溶劑化能壘高等缺陷，導致高電流密度下反應界面收縮與析氫副反應加劇。盡管通過優化電極設計和電解質配方取得進展，氨分電流密度仍被限制在8 mA cm^-2。高壓間歇式電解雖能改善離子遷移，但系統能耗劇增且能效僅3%，難以實現連續生產。SEI層鋰離子傳導能力與動態平衡機制的缺失，已成為制約連續流鋰介導合成氨技術發展的關鍵瓶頸。

原創突破，創制離子分級傳輸界面

鋰介導氮還原合成氨技術面臨的核心挑戰在于SEI層離子傳導率低下，導致高電流密度下鋰離子傳輸受阻。為突破這一瓶頸，研究團隊創新性地設計了一種功能分層的混合SEI結構：通過構建具有低離子結合能的外層促進鋰離子去溶劑化，同時在富含離子傳導域的內層實現高效鋰離子傳輸（圖1）。該設計成功將鋰離子通量提升兩個數量級，在連續流反應體系中實現了100 mA cm^-2的高電流密度下穩定運行。值得注意的是，傳統電解體系在超過8 mA cm^-2時就會因SEI層鋰離子耗盡導致反應界面急劇收縮，而新型混合SEI結構有效維持了反應界面的穩定性，使電流-氨轉化效率獲得顯著提升。這一突破為發展高效鋰介導合成氨技術提供了關鍵材料設計策略。

圖1. 鋰介導氮氣電還原體系及其不同固體電解質界面（SEI）膜的離子傳輸模型分析

解析三層精密離子通道結構，首次確立“去溶劑化-傳輸-催化”級聯調控新機制

成功構建了去溶劑化-擴散層狀架構（DDLA）的SEI后，研究團隊通過冷凍透射電鏡結合同步輻射表征技術，解析出該DDLA由三層精確排布的無機相構成（圖2A-B）：最外層為LiF層、中間層為Li₂CO₃離子傳導通道以及最內層為與陰極接觸的Li₃N界面層（晶面間距分別為2.00 ?、2.85 ?和3.13 ?）。

結構深度分析發現，DDLA中LiF表層通過低結合能特性加速鋰離子去溶劑化，而Li₂CO₃中間層則形成三維離子滲透網絡。同步輻射X射線光譜證實（圖2C-D），這種層次化結構在10-20納米尺度上建立了連續的離子傳輸梯度。特別值得注意的是，DDLA內部發現的對稱分布的Li₃N晶疇與電解液界面形成分子級接觸，為氮氣還原提供了特異性活性位點。該結構特征解釋了DDLA電極在高電流密度下實現高效鋰介導氮還原合成氨的原理——Li₂CO₃通道將鋰離子通量提升至常規均質SEI體系的100倍，同時LiF/Li₃N異質界面顯著抑制了析氫副反應。這些發現不僅揭示了電極-電解質界面離子傳輸的級聯調控機制，其分級離子傳輸機制也為設計下一代高效合成氨電極提供了明確的界面工程原則。

圖2. DDLA體系表征及應用于連續流鋰金屬介導合成氨體系的性能

實現常溫常壓高效合成氨，開辟可再生能源驅動分布式制氨新路徑

此外，理論計算揭示DDLA在離子傳輸動力學上展現出獨特優勢（圖2E）：其表面LiF層通過0.67 eV的低去溶劑化能促進鋰離子釋放，而Li₂CO₃中間層僅需克服0.60 eV的遷移能壘，相較常規均質SEI體系（去溶劑化能壘0.73 eV，遷移能壘1.07 eV）具有顯著動力學優勢。這一發現不僅解釋了DDLA電極實現高離子電導率的本質原因，更確立了“去溶劑化-傳輸-催化”三級聯機制在高效合成氨反應中的核心作用，這種協同穩定效應為設計高穩定性電解界面提供了新范式。

本研究通過流動電解池系統驗證了理論預測，首次在常溫常壓100 mA cm^-2電流密度下實現98%法拉第效率與21%能量效率（圖2F），并具備50小時連續運行的穩定性（圖2G），為發展可再生能源驅動的分布式合成氨技術奠定了理論和實驗基礎。這些發現不僅適用于電化學固氮領域，其揭示的離子傳輸調控機制對金屬空氣電池、固態電解質電池等新能源器件開發同樣具有指導意義。

上海交通大學變革性分子前沿科學中心李俊副教授和蘇州大學程濤教授為論文通訊作者。變革性分子前沿科學中心博士后張強、變革性分子前沿科學中心訪問博士生李華敏、蘇州大學博士生于沛平和變革性分子前沿科學中心博士生劉鵬宇為論文第一作者。該工作得到國家重點研發計劃（2023YFA1507500、2022YFA1505100）、國家自然科學基金（BE3250011、92472110、22173066）、化學生物協同物質創制全國重點實驗室（sklscbs202557）、教育部中央高校基本科研業務費專項資金（23X010301599、24X010301678）以及上海市基礎研究特區計劃（21TQ1400227）等項目支持。同時感謝變革性分子前沿科學中心、化學化工學院、二氧化碳光子科學研究中心和上海同步輻射光源的大力支持。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw5462

圖3. 李俊團隊合影

作者感言

“本研究是能源-化學-材料-催化多學科交叉的科研成果，得益于上海交大變革性分子前沿科學中心鼓勵前沿研究、引導交叉創新的科研平臺與學術生態。特別感謝課題組電合成氨分隊在百余次SEI膜結構迭代中的執著堅守，以及課題組全體成員、前沿科學中心電池研發團隊與校外合作者的通力協作。論文最終獲得審稿人‘里程碑式突破’的高度評價，充分印證了團隊聚焦前沿、協同創新的科研理念。這種多學科交叉的創新范式，不僅實現了從基礎研究到技術突破的跨越，更為后續產業應用奠定了堅實基礎。”

——李俊