其制造过程消耗全球约1.5%的电力，排放约1%的温室气体，且超过一半的施用量会渗入地下水，造成污染。近年来，液体氮肥因其高达90%以上的利用效率显示出显著优势，但其可持续生产和就地使用仍面临挑战。另一方面，废气中的氮氧化物（NOx）年排放量高达1.2 Gt，是酸雨和健康威胁的主要来源。尽管电催化还原NOx生成含氮化学品（如氨、氨基酸等）具有潜力，但高浓度气体纯化的成本和高添加剂电解液的限制阻碍了其实际应用。因此，开发一种能够直接利用低浓度NOx甚至空气、在线生产并直接使用液体氮肥的策略，具有重要的科学和现实意义。

本文亮点

1.本研究提出了一种“吸收-电还原接力”策略，实现了从废气NOx或空气中分布式、在线生产可直接使用的硝酸铵液体肥料。

2.该策略通过建立氮转化平衡，无需添加外来离子，使用自主开发的钌钴电催化剂（Ru₂Co₉₁）实现高效、稳定的电还原反应，并成功构建了每小时产8.5升、浓度稳定的液体肥料系统，可满足20 m2农田的氮肥需求，展示了良好的实际应用潜力。

图文解析

图1. 氮肥生产与使用示意图

图1通过对比传统固体氮肥生产与本研究提出的液体氮肥可持续生产蓝图，突出了该策略的环保与高效特性。传统路径依赖化石燃料，伴随高能耗与地下水污染，而本研究提出的接力系统利用清洁能源驱动电催化过程，将废气中的NOx或空气通过等离子体转化为NOx，再经吸收和电还原直接生成NH₄NO₃溶液，实现即产即用。该图还强调了液体氮肥的高利用效率（>90%）与低环境影响的优势，为可持续农业提供了新思路。整个系统设计体现了从“高污染、高耗能”向“绿色、分布式、在线生产”的转变，具有显著的工程应用前景。

图2. NOx吸收与电催化性能分析

图2系统展示了NOx吸收效率、电催化剂性能及反应路径同位素示踪结果。在吸收实验中，当NOx气体流速低于300 ml/min时，未吸收气体浓度低于100 mg/m³，符合美国环保署排放标准，表明该策略具有良好的环境兼容性。电催化性能测试显示，Ru₂Co₉₁催化剂在-1.3 V vs. SHE下实现最低能耗（1.25 MJ/mol）和最高NH₄⁺产率（0.81 mmol/mg/h），其归一化活性仍保持最优，表明其本征活性极高。同位素标记实验进一步证实，NH₄⁺主要来源于NO₃⁻还原（贡献度89.2%），而NO₂⁻和溶解的NO气体贡献较小，明确了反应中以NO₃⁻还原为主导路径，为系统设计与优化提供了关键依据。

图3. 连续生产NH₄NO₃的设备与运行测试

图3展示了吸收-转化接力系统的两种运行模式（A和B）及其同位素示踪结果。模式A采用无膜流动池，可连续生产30 mM NH₄NO₃溶液，适用于直接滴灌使用；模式B通过膜电极组装提高浓度，适用于后续稀释使用。图中同位素示踪实验（以¹⁵NH₄⁺为初始电解质，¹⁴NOx为进气）显示，随着反应进行，¹⁴NH₄⁺比例逐渐升高，说明系统能有效将进气NOx转化为NH₄⁺，实现了“借氮还氮”的动态平衡。该设计允许系统随时启停，且产出液中Ru、Co、NO₂⁻浓度极低，符合中国农田灌溉水质标准，具备直接农用的安全性与可行性。

图4. 电催化反应机理研究

图4通过动力学同位素实验、原位ATR-FTIR和在线DEMS等手段深入揭示了电催化反应机制。动力学同位素效应表明，NO₂⁻还原的速率受限于其向NO的转化步骤，而NO₃⁻还原则无明显同位素效应，说明两者反应路径不同。原位红外光谱显示，在NO₃⁻和NO₂⁻共存体系中，NO₂⁻吸附更强且反应更快，其反应优先级高于NO₃⁻，这有助于避免有毒NO₂⁻积累。在线质谱进一步检测到HNO、NH₂OH和NH₄⁺等中间体，支持了连续加氢反应机制。这些结果明确了Ru₂Co₉₁催化剂的高活性来源与反应路径，为催化剂设计与系统优化提供了理论支撑。

图5. 中试系统与田间示范 

图5展示了基于等离子体-电催化联用的放大系统中试结果与田间应用效果。该系统以空气为原料，通过等离子体产生~1.0 wt% NOx，经吸收-电催化联产~30 mM NH₄NO₃溶液，每小时产量达8.5升，可满足20平方米韭菜地的滴灌需求。电催化反应器采用多极板设计，阴极面积达1500 cm²，电流80 A，运行稳定。田间实验表明，使用该液体肥的韭菜生长状况优于无肥对照组，与传统固体肥相当，但肥量减少20%，水量节省50%，显示出显著的资源节约潜力。初步技术经济分析表明，该策略生产的NH₄NO₃成本约为753.5美元/吨，虽略高于市场价，但兼具分布式、零碳排等优势，未来随着绿色能源与催化技术发展，其经济性将进一步凸显。

总结与展望

本研究成功开发了一种基于NOx吸收-电还原接力策略的液体氮肥绿色合成方法，实现了从废气或空气中直接、连续、在线生产硝酸铵溶液，并完成了从实验室到田间规模的系统验证。该策略通过建立氮转化平衡，避免了外来离子的引入，产出液可直接用于滴灌，兼具高利用率、低环境影响的显著优势。所开发的Ru₂Co₉₁电催化剂表现出优异的活性和稳定性，其反应机制通过多种原位手段得以明确，为后续催化剂设计与系统优化提供了重要依据。

尽管该策略在低浓度液体肥生产模式下已表现出良好的应用潜力，但其电池电压较高、NH₄⁺法拉第效率仍有提升空间，导致生产成本略高于传统氮肥。因此，未来研究应侧重于优化高浓度生产模式（模式B），通过提高反应效率、降低能耗进一步压缩成本。同时，结合可持续能源（如太阳能、风能）驱动电催化过程，有望实现真正的“零碳氮肥”。此外，该策略可与工业废气处理、农业精准灌溉等系统集成，推动分布式氮肥生产模式的落地应用，为全球氮循环的可持续发展提供新的技术路径。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-025-01619-4