研 究 背 景

氮循环是地球生态、农业与工业的基础过程，但传统工业固氮能耗高、排放大，而活性氮过量排放又引发水体污染和生态风险，问题已升级为资源–能源–环境的系统性挑战。电催化氮转化可在常温常压下利用可再生电力驱动氮物种定向转化，通过多反应耦合实现绿色合成、污染治理与资源回收，是构建未来绿色氮循环的关键路径。

然而，当前研究多聚焦单一反应或特定催化剂，缺乏跨反应统一理论，呈现碎片化。不同氮转化反应实则共享电子结构支配的吸附与动力学瓶颈，传统依赖材料组成和形貌的设计思路难以解释性能差异的本质。从电子构型出发重新审视电催化氮循环，有助于揭示内在规律，为低碳氮资源利用提供理论基础。

成 果 介 绍

近日，武汉纺织大学化学与化工学院、纺织新材料与先进加工全国重点实验室徐卫林院士团队的万骏教授，与新加坡南洋理工大学李嘉合作，在Carbon Energy（IF=21.4）上发表了题为“Redefining the Nitrogen Cycle through Electronic Configuration Driven Electrocatalysis for Low Carbon Energy”的论文。冯家睦为论文第一作者，武汉纺织大学为第一完成单位。

该论文聚焦低碳能源背景下氮资源高效转化与循环利用这一关键科学问题，提出电子构型驱动电催化氮循环的整体研究框架。不同于传统将氮还原、硝酸盐还原、亚硝酸盐还原、尿素氧化和氨氧化分别研究的思路，论文首次从系统视角将五类核心氮转化反应统一纳入电催化氮循环网络，构建了贯通还原与氧化路径的统一机制认知体系。围绕这一核心，论文系统总结了d带中心、氧化态、自旋态、晶体场效应、缺陷电子重构及异质界面电荷转移等关键电子结构调控机制，揭示了电子构型对氮循环反应活性、选择性与稳定性的本质影响。同时，结合不同催化材料体系的代表性研究案例，建立了电子结构、反应路径、催化性能之间的内在关联，为高效氮循环电催化剂设计提供了新的理论依据。该工作将分散的氮转化研究整合为面向低碳能源应用的统一催化科学框架，为推动绿色氨合成、含氮废水资源化利用及可持续人工氮循环体系构建提供了重要理论支撑。

图 文 解 析

一、电子构型驱动的电催化氮循环整体框架

图1构建了以电子构型为核心的电催化氮循环概念框架，突出展示了该论文区别于传统单反应综述的系统性视角。该图并未将氮还原、硝酸盐还原、亚硝酸盐还原、尿素氧化和氨氧化视为彼此分散的独立反应，而是将其统一纳入一个由不同氮价态连续转化构成的电催化氧化还原网络。在这一框架中，氮气、硝酸盐、亚硝酸盐、氨和尿素等关键氮物种不再只是特定反应的起始物或产物，而是人工氮循环中的可转化节点，其相互关联决定了绿色氨合成、含氮污染物治理、废水资源化利用与氮基能源转化之间的内在联系。其强调电子构型是贯穿整个氮循环反应网络的核心调控变量。无论是N≡N键活化、NO_x逐级还原、C–N键断裂，还是NH_x物种脱氢与偶联，本质上都依赖催化剂表面电子态对吸附强度、电荷转移和反应路径的调控。因此，该图从整体上确立了电子结构、反应机制、低碳氮循环的逻辑主线，将电催化氮转化从分散的材料性能优化提升为面向可持续工程的统一催化科学框架。

图1 电子构型驱动电催化氮循环的整体概念框架示意图

二、电催化氮循环的概念构建及可持续意义

图2系统展示了电催化氮循环的整体概念及其在可持续工程中的重要意义，进一步从应用与系统层面拓展了图1提出的理论框架。该图以氮元素在不同氧化态之间的循环转化为主线，清晰描绘了N₂、NO₃^-、NO₂^-、NH₃及尿素等关键含氮物种之间通过电催化路径形成的动态闭环网络，直观体现出电催化氮循环由“单向消耗”向“循环再生”的转变逻辑。其中，还原路径实现从氮气或含氧氮污染物向氨等高附加值产物的资源转化，而氧化路径则实现氨和尿素等还原态氮物种向氮气或其他含氮产物的再利用与能量释放，共同构成贯通污染治理、资源回收和能源转化的人工氮循环体系。相比传统哈柏–博施工艺及生物脱氮等路径，该体系最大特点在于以电能作为驱动力，可直接耦合太阳能、风能等可再生能源，在常温常压条件下实现氮资源的可控转化与循环利用。由此，不仅揭示了电催化氮循环在分子尺度上的反应关联，更从能源、环境与资源协同角度强调其作为低碳氮化学新范式的重要价值，为未来绿色化工制造、含氮废水资源化利用及可持续能源体系构建提供了直观的理论支撑。

图2 电催化氮循环体系的构建及其可持续应用价值示意图

三、五类关键氮转化反应的分类及反应机制

图3系统梳理了电催化氮循环中五类核心氮转化反应的路径分类与基本反应机制，是连接宏观氮循环网络与微观催化过程的重要桥梁。图中分别展示了氮还原反应（NRR）、硝酸盐还原反应（NO₃RR）、亚硝酸盐还原反应（NO₂RR）、尿素氧化反应（UOR）和氨氧化反应（AOR）的典型反应路径及关键中间体演变过程，构建出覆盖还原端与氧化端的完整氮转化图谱。其中，NRR聚焦于高稳定性N≡N三键的活化断裂，是实现绿色合成氨的核心步骤；NO₃RR与NO₂RR则围绕NO_x物种逐级加氢还原展开，在污染治理与氮资源回收中具有双重意义；UOR涉及复杂的C–N键断裂与电子释放过程，是尿素资源化利用与节能电解体系的重要组成；AOR则通过NH_x逐步脱氢及N–N偶联实现氨氧化转化，与氨燃料电池和氮循环闭合密切相关。值得关注的是，尽管五类反应路径在起始反应物、电子转移数及最终产物上存在明显差异，但其本质均涉及多电子、多质子协同转移，以及关键含氮中间体在催化界面的吸附、活化与重构过程。因此，不仅实现了电催化氮循环核心反应的系统分类，也进一步揭示不同氮转化路径之间在机理层面的内在关联，为建立跨反应统一催化机制与电子结构设计原则提供了关键基础。

图3 五类关键氮转化反应路径及电催化机制分类示意图

四、电子构型调控氮循环电催化性能的核心机制

图4进一步揭示了电子构型在调控电催化氮循环反应中的关键作用，是全文机制框架的核心图示。该图从五个维度系统阐明催化剂电子结构如何决定含氮物种的吸附、活化、电子转移与反应路径选择。首先，d带中心位置与轨道杂化程度直接影响催化剂表面对*N₂、NO_x和NH_x等中间体的结合强度，决定活化能力与脱附难易之间的平衡。其次，金属活性中心的氧化态、价电子数和自旋态调控电子供给能力与轨道占据状态，从而影响N≡N活化、NO_x还原及NH_x脱氢偶联等关键步骤。再次，晶体场分裂和配位环境通过改变d轨道能级分布与电子排布，进一步调节吸附构型和反应能垒。与此同时，缺陷和空位可诱导局域电子重构，形成不饱和配位位点和富电子区域，增强反应物吸附与多电子转移能力。最后，异质结构界面通过内建电场、能带匹配和界面电荷转移，加速电子/质子传输并协同稳定关键中间体。由此，图4将复杂的氮循环反应瓶颈归纳为可调控的电子结构问题，明确了电子构型不仅是解释催化性能差异的基础变量，也是未来设计高活性、高选择性和高稳定性氮循环电催化剂的核心抓手。

图4 电子构型调控电催化氮循环反应活性与选择性的核心机制示意图

研 究 小 结

综上，该论文的核心创新在于突破传统以单一反应或单一催化剂为中心的研究范式，从电子构型视角将氮还原、硝酸盐/亚硝酸盐还原、尿素氧化和氨氧化等关键过程统一纳入电催化氮循环框架之中，建立了贯通材料电子结构、界面反应机制与低碳工程应用的系统性理论体系。论文强调，电子构型不仅决定催化剂对关键含氮中间体的吸附与活化能力，更深刻影响多电子转移路径、产物选择性及催化稳定性，是连接催化材料本征结构与氮循环反应性能的核心变量。

基于这一认识，电催化氮循环被重新定义为兼具绿色合成、污染治理、资源回收和能源转化功能的低碳氮资源利用新范式。展望未来，随着可再生电力驱动化学转化需求持续增长，氮循环电催化的发展重点将由单一性能提升进一步迈向跨反应协同设计与系统集成优化。一方面，需要发展对活性位电子态更精准的原位调控策略，实现复杂反应路径中关键中间体的定向稳定与高效转化；另一方面，还需推动电子结构设计与器件工程、实际废水体系及规模化应用深度耦合，建立从基础催化机制到低碳能源应用的完整技术链条。可以预见，以电子构型为核心的催化设计理念将持续推动电催化氮循环由基础研究走向工程实践，为绿色化工制造、氮资源闭环利用及未来可持续能源体系构建提供重要理论支撑与发展方向。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Redefining the Nitrogen Cycle Through Electronic Configuration Driven Electrocatalysis for Low Carbon Energy

文章研究方向：

电催化— —氮循环

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70287

DOI: 10.1002/cey2.70287

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