氨是现代工业和农业生产最为基础的化工原料之一，对人类的生产、生活等方面有着至关重要的作用。而且由于其具有绿色、环保、易储存运输等优点，也被视为良好的氢载体。氨的人工合成最初源起于德国Adolph Frank等人发明的“氰化法”，即利用从空气中分馏得到的氮气与电石（CaC₂）在1100 °C左右反应生成氰胺化钙，氰胺化钙再进一步与水蒸气反应得到氨。但受制于制备原料及过高的能耗，该制备工艺没有得到大规模应用。后来，在20世纪初，Fritz Haber（1918年诺贝尔奖）和Carl Bosch（1931年诺贝尔奖）等人发现以锇（后来是以铁为主要活性组分的复合物）作为催化剂，可直接将氮气和氢气在高温高压下反应得到氨气（即Haber-Bosch法），且产率最高可达到20%，这一方法的提出，从此开启了合成氨的大规模工业化进程，也正是得益于Haber-Bosch法合成氨，人类自此实现了人工固氮的集约化和规模化发展，从而直接推动了全球粮食产量和人口数量史无前例地增长。然而该方法虽经过百多年的发展，但仍需要在高温高压条件下进行（300~500 °C、200~300 atm），其年均能耗占到世界能源总耗的1~2%，它所产生的CO₂年排放量约占到总温室气体的1.5%。因此，如果能够实现在常温常压下氮气和氢气的高效反应合成氨，那将是人们梦寐以求的。特别是如果合成氨过程中的驱动能量还能由可持续的绿色能源供给，将能够彻底克服Haber-Bosch法合成氨所面临的涉及能耗、污染以及安全性等方面的问题。

大自然早已证实常温常压下合成氨的可行性——含有固氮酶的微生物（譬如根瘤菌）可以在常温常压下将氮气还原为氨。正是这种天然的催化剂给予了人们启发，吸引了众多科研工作者来探索新型的合成氨催化体系，特别是近年来，一些基于光催化、电催化的固氮体系被陆续证实可利用可再生能源在常温常压下实现氮还原固氮，极大地给予了科学家们信心。这些新型的合成氨催化体系虽然很吸引人，但由于N₂中的N≡N非常稳定，在常温常压下，氮气和氢气的反应在动力学上非常难于进行，目前它们真实的效率尚难超过1%。它们首先面临的一个问题是：氮气的扩散和吸附，这个环境条件下植物信手拈来的事情，在实验上却很难实现，主要原因是常温常压下氮气的溶解度非常有限；而更具挑战性的问题是：不论是光催化还是电催化体系，质子活化显然要比氮氮三键容易活化得多，质子的反应作为竞争反应会严重制约合成氨的效率，而质子作为反应原料却有不可或缺。因此，如何构建像固氮酶那样精巧的催化剂将是常温常压下高效固氮的主要挑战。

近日，华南理工大学王海辉教授团队利用MXene作为催化剂活性中心实现了氨的电化学高效合成。作者利用MXene表面的负电性，巧妙地将二维MXene片有序负载在具有弱析氢能力的宿主金属表面，并通过进一步调控MXene片尺寸和宿主金属的生长取向实现了对活性位点最大程度的暴露。同时，通过这种立体的空间设计以及雇佣具有弱析氢能力的宿主，不仅合理的抑制了析氢竞争反应，而且促进了氮气在催化剂电极上的扩散吸附，进而有效地提高了MXene催化剂的氮还原活性和选择性，从而实现常温常压下高效的电化学固氮。这项工作证明了二维MXene材料在电化学固氮反应的应用潜力，为合理设计高效电化学固氮催化剂提供了一种新的思路。这一研究成果以“Efficient Electrocatalytic N₂ Fixation with MXene under Ambient Conditions”为题在线发表在国际顶级期刊Cell的子刊《Joule》上（https:// doi.org/10.1016/j. joule.2018.09.011）。该论文第一作者为华南理工大学博士研究生罗亚茹、陈高峰，通讯作者为华南理工大学丁良鑫研究员和王海辉教授，华南理工大学为论文的唯一单位。近年来王海辉教授团队对常温常压人工固氮方面进行了系列研究，包括高效催化剂设计、氨的检测技术及抑制副反应（析氢反应）的策略等方面，部分成果发表在J. Am. Chem. Soc. （2017， 139，9771-9774）、Adv. Mater. （2018, 1803694，1-7）等国际知名期刊上。（图/文 丁良鑫 化学与化工学院）