氨(NH3)具备了易于液化、便于安全储存和运输特性，而且液态氨的体积能量密度约是液态氢的2倍，因此氨被认为是未来有潜力的液体燃料和储氢分子。然而，目前规模化制NH3主要采用“哈伯法”，反应需要在高温高压(300-500℃，150-200个大气压)下才能进行，条件苛刻，且产率较低。因此，亟需开发低能耗高效率的NH3合成工艺。
由韩国科学技术院(KAIST)的Yousung Jung教授课题组牵头的国际联合研究团队通过化学分子工程在氮(N)掺杂多孔碳上生长了单分散钌(Ru)金属纳米颗粒作为单原子催化剂，实现了常温常压下N2到NH3高效电化学还原。研究团队首先利用水热法制备了N掺杂多孔碳(NC)，随后通过化学还原在NC上生长了单分散的Ru原子形成复合催化剂Ru@NC。多孔碳作为载体可以大幅增加Ru金属的负载点，即增加催化活性位点。随后在常温常压的三电极电解池中测试Ru@NC催化性能，实验结果显示该催化剂在-0.21V(相对可逆氢电极)过电位下其催化N2还原成NH3的产率为3.665 mg-1NH3 h-1mg-1Ru，法拉第效率为9%。相关的研究已经证实，N2还原过程中存在竞争性的析氢副反应，导致法拉第效率较低。为此，研究人员进一步在Ru@NC催化剂中加入ZrO2添加剂形成，发现加入ZrO2后析氢副反应得到了显著的抑制，即使在-0.11V的低电位下，催化剂产NH3的法拉第效率都达到21%，优于相同反应条件下的其他金属基催化剂。密度泛函理论(DFT)计算发现，ZrO2表面的氧空位能够锚定Ru原子，具有氧空位的Ru位点则是主要的活性中心，其能够稳定中间体*NNH(NH3的中间产物)，减弱*H吸附(析氢反应中间产物)，从而提升了将N2电还原转化成NH3的催化活性，从而增强了N2到NH3还原效率。更为关键的是含ZrO2的Ru@NC催化剂在恒电位下电解60小时后，电流密度仍然保持稳定，且产氨速率和法拉第效率几乎不变，展现出优异的稳定性。
该项研究通过分子工程设计合成了ZrO2修饰的Ru金属锚定的氮掺杂多孔碳复合催化剂，有效地抑制了析氢副反应，实现了常温常压下高效稳定的电化学氮还原，为人工固氮提供了极具前景的技术方案。相关研究工作发表在《Chem》[1]。
[1] Philip Weber, Thorsten Scherpf, Ilja Rodstein, et al. NitrogenFixation by Ru Single-Atom Electrocatalytic Reduction.Chem,, DOI:/10.1016/j.chempr..10.007
