使用低温电子显微镜研究电催化过程中的锂SEI

氨(NH3)是一种由氮和氢组成的化合物，目前具有许多有价值的用途，例如用作农作物肥料、净化剂和制冷剂气体。近年来，科学家一直在探索其作为能源载体的潜力，以减少全球碳排放并帮助应对全球变暖。

氨目前通过Haber-Bosch工艺生产，这是一种产碳工业化学反应，需要将氮和氢转化为NH3。众所周知，这一过程会严重增加全球碳排放，使氨的合成通电对我们的星球非常有益。

在环境条件下电合成氨的最有前途的策略之一是基于锂金属的使用。然而，对这些过程的某些方面，包括锂钝化层(称为固体电解质界面(SEI))的特性和作用，人们仍然知之甚少。

麻省理工学院(MIT)、加州大学洛杉矶分校(UCLA)和加州理工学院的研究人员最近开展了一项研究，密切关注锂的反应性及其SEI，因为这可以增强锂基途径电合成氨。他们的观察结果发表在NatureEnergy上，是使用称为低温透射电子显微镜的最先进成像方法收集的。

“十多年前，我和KarthishManthiram在伯克利第一次见面，当时他是博士生，我是研究生，”进行这项研究的研究人员之一YuzhangLi告诉Phys.org。“Karthish一直是我的长期导师，我们在彼此的研究方面一直保持联系。这次合作机会自然而然地出现了，因为他在锂介导的氨合成方面的努力以及我在锂金属电池方面的专业知识。这些社区很少互相交谈，但由于Karthish和我经常交流，我们开始越来越多地了解我们各自领域理解的关键差距。”

Li、Manthiram及其同事近期工作的主要目标是揭示金属锂，尤其是其SEI，在氨的电化学生产中所起的独特作用。为此，该团队使用先进的高分辨率显微镜技术检查了材料的表面，该技术获得了2017年诺贝尔化学奖。

“由于金属锂非常活泼且不稳定，它在通常用于以原子分辨率研究材料的电子束下像黄油一样融化(想想在烈日下使用放大镜在叶子上烧一个洞)，”李解释道。“我们改为在液氮(非常冷)中冷却我们的样品，并能够使用一种称为低温电子显微镜的技术对金属锂的原子级表面进行成像，这是一种获得诺贝尔奖的工具，它还负责弄清楚锂的分子结构2019冠状病毒病。”

研究人员进行的分析产生了一些非常有趣的结果，因为它们强调了质子供体(例如乙醇)在控制锂对氮固定的反应性方面的关键作用。他们发现，在没有乙醇或其他质子供体的情况下，SEI会钝化金属锂，从而阻止氮还原，从而阻止氨的合成。

“我们发现锂金属的表面腐蚀膜实际上是锂金属与氮气之间反应的屏障(这是出乎意料的)，并且表明必须使用质子供体(例如乙醇等醇类)破坏该膜使反应形成氨，”Manthiram说。“这种对反应途径的纳米级理解将指导未来的努力，使这种锂介导的合成氨的方法更加有效和实用。”

这组研究人员收集的研究结果可能对开发替代和更环保的氨合成方法具有重要意义。通过揭示质子供体在锂基氮还原过程中的关键作用，该研究可以特别促进锂在电氨合成中的更有效利用。

“在我们接下来的工作中，我们计划研究表面腐蚀膜的特性如何在不同的电解质化学中发生变化，以及它们如何影响产生氨的反应性，”李补充说。