澳大利亚伍伦贡大学陈俊等前瞻：模块化电催化及其在碳氮循环中的工业化前景

Perspective on Modular Electrocatalysis for Carbon and Nitrogen Cycling

Xiaokang Wang, Sirui Tang, Qilong Wu*, Peter C. Innis, Jun Chen*

Nano-Micro Letters (2026)18: 373

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02231-7

本文亮点

1. 提出“模块化电催化”框架，将分散的研究方向整合为面向全球碳氮循环的统一平台。

2. 建立模块单元的定制化设计策略，实现对原料输入、反应转化过程及能量供给的精准调控。

3. 构建系统集成策略，确保模块化电催化体系在工业应用中的运行稳定性与规模化扩展能力。

研究背景

《联合国2030年议程》强调了实施可持续发展举措的紧迫性，其中氮氧化物、氨和氧化亚氮等含氮物种的过量排放仍然是一个关键问题。农业活动每年约贡献65 TgN yr⁻¹的全球氮排放量，占人为氮排放总量的82%。这些排放会导致地下水污染和生态系统富营养化，严重扰乱自然界氮生物地球化学循环过程。此外，氮肥合成(Bosch–Meiser工艺)还会产生大量二氧化碳(CO₂)排放。这一系列过程已严重超出自然界复杂且相互关联的碳–氮(C–N)循环体系的调节能力，该体系原本维持着生物圈中碳、氮物种供需之间的精细平衡。迄今为止，人们已提出多种可持续策略来应对这些问题，包括酶催化固氮和人工光合作用等。然而，由于效率较低、产业化难度大以及经济可行性有限，这些技术尚未实现广泛应用。因此，开发一种能够重建C–N循环平衡并同时实现废弃物资源化利用的有效技术，已成为当前人类面临的最紧迫挑战之一。

内容简介

碳–氮(C–N)循环是维持生态平衡的关键自然过程。然而，过量的氮污染和温室气体排放已经打破了这一平衡。碳与氮的多种复杂反应路径以及对这些反应的零散研究，阻碍了其实际应用。电催化作为一种变革性手段，有望恢复该平衡。澳大利亚伍伦贡大学陈俊等提出了“模块化电催化”(Modular Electrocatalysis, ME)的创新理念，旨在构建高效体系，将众多分散的电催化C–N反应整合于统一平台中。其核心目标是将复杂的C–N转化过程分解为可控的、简化的反应步骤，通过定制模块单元组合和可调节模块化路径实现，从而促进碳氮污染物向胺类、酰胺类等高附加值化学品的转化。在本文中，将阐述可行模块化催化路径设计所面临的相关挑战及潜在解决方案，并探讨催化剂精准调控与反应器定制化的重要性，旨在降低功能性工业应用中整合的难度，为人工C–N循环过程提供系统性的指导。

图文导读

I 先进的模块化电催化系统

模块化电催化(Modular Electrocatalysis, ME)是一种通过系统工程中的灵活集成与优化，将复杂反应分解为可控模块单元，从而实现多种目标产物定向合成的策略。从本质上讲，ME体系是一个工程化且具有实际应用价值的平台，由原料模块、能源供给模块和转化模块组成。原料模块负责对含碳和含氮污染物进行预处理，以降低杂质含量；能源供给模块负责管理并输送可再生能源，为整个体系提供驱动力；转化模块作为体系核心，其功能类似于“乐高”积木的组装，由串联构型模块和并联构型模块两种基础模块单元组成，并配备辅助设备以引导中间体进入不同下游反应路径。

其中，串联构型模块作为整个体系的基础框架，通过反应器耦合实现基元反应的逐步转化过程。对于单个基元反应，采用多个反应器串联能够确保反应物充分转化，并最大限度提高反应物利用率。并联构型模块则允许碳和氮的基元反应路径同时进行，生成的初级产物可流向多个并行路线共同利用。例如，CO既可用于胺类合成路径，也可用于酰胺类合成路径。对于能够同时生成液相和气相产物的催化剂(如同时生成CO和甲酸HCOOH)，则可设计并联反应路径，实现气体和液体产物的自主分离。

基于目标中间产物(如羟胺NH₂OH和甲酸HCOOH)，上述三种基元模块单元可进一步定制集成为更大的功能模块。这些定制模块能够构建并组装成多种合成路线。此外，ME体系还能够依据催化剂特性(如选择性和产物分布)以及目标产物需求，对反应路径进行优化，实现预处理污染物向高附加值化学品的定向转化(图1)。

图1. ME系统C – N循环示意图。

II 模块单元设计策略

为了实现C–N循环的实际应用，模块化电催化(ME)构建了一个系统化框架，由三个核心功能模块组成：(1)原料模块(Feedstock Module)；(2)转化模块(Conversion Module)；(3)能源供给模块(Energy Supply Module)。该体系架构不仅强调各模块之间的功能分工，还为系统层面的协同运行与集成优化提供了有力支撑。

2.1 原料模块

在实际应用条件下，C–N循环所涉及的原料主要来源于烟气和废水，而这两类原料均含有多种可能对催化性能产生不利影响的组分。烟气通常由N₂(70%–80%)、CO₂(5%–15%)和水蒸气(10%–20%)组成，氧气浓度一般低于1%。此外，还含有SO₂(>10,000 ppm)、NOₓ(200–800 ppm，主要为NO)、CO(<100 ppm)以及微量颗粒物等杂质。为了提高系统稳定性和催化选择性，原料模块需要根据各组分的特性采取针对性的去除或调控策略。

例如，N₂化学性质稳定，不需要进行额外处理；而SO₂具有较高反应活性，容易毒化催化剂活性位点，导致催化剂快速失活并降低产物选择性。此外，颗粒物可能堵塞反应器并干扰气体流动行为。这些问题可通过气体洗涤技术加以解决，实现颗粒物沉降和原料脱硫。对于NOₓ，则可通过与CO₂电化学耦合形成C–N键并合成尿素，从而实现其有效去除。虽然氧气可能引发竞争反应，但在高电流密度条件下其影响可以得到抑制，部分研究甚至表明氧气有助于提高C₂+产物的选择性。与此同时，低浓度CO能够促进C–C偶联反应，因此通常无需额外去除。

2.2 转化模块

在预处理模块中杂质干扰被有效去除后，体系进入核心转化模块。转化模块旨在通过多个功能子模块的级联协作，将碳和氮原料转化为高附加值产物。设计高效且稳健的转化模块时，应重点考虑以下方面：反应路径的分解与简化、系统驱动的催化剂设计，以及能够实现高兼容性与无缝集成的反应器平台。

反应路径的合理分解对于提高转化模块的整体效率至关重要。在模块化反应路径拆分过程中，需要重点考虑两个方面。首先，每个选定的反应步骤都应同时具备热力学可行性和动力学可控性，优先选择那些具有成熟研究基础、本征活性高且产物选择性良好的反应。其次，模块间传递的中间体必须具有足够的稳定性，以避免在模块传输过程中发生分解或副反应。CO、HCOOH、NH₃和NO₂⁻等稳定中间体非常适合用于模块化集成，而自由基等高活性或寿命较短的中间体目前尚不适用于模块间传递。然而，随着未来技术的发展，如果能够克服不稳定中间体相关的技术挑战，其在模块化体系中的应用也将成为可能。基于上述原则，本文提出了一种潜在的ME体系C–N循环路径(图2)。经过预处理后，原料进入各反应模块。在烟气处理路径中，部分CO₂可在专用反应器中直接电化学转化为草酸盐；与此同时，另一部分CO₂被还原生成HCOOH和CO，这两种产物均可作为后续转化过程的重要中间体。值得注意的是，在这一阶段并不要求获得单一产物的高选择性，因为CO和HCOOH均可作为下游反应的中间体，从而降低了催化剂设计的复杂性。

图2. 一种可能的模块化电催化路线的示意图。

如前所述，ME框架倡导利用成熟的催化反应和材料体系，并通过系统层面的重构来释放其工程应用潜力。这一设计策略对ME体系中的催化剂提出了双重要求：催化剂不仅需要实现目标产物的最大选择性和高单程转化效率，以避免副产物积累，还必须在波动的能源输入和复杂的原料组成条件下保持优异的运行稳定性。

除了催化剂设计外，转化模块还高度依赖于器件级架构，以支持多个功能模块的独立运行、协同耦合及系统级集成。不同模块通常在不同反应条件下操作(如电压、电流密度、质量流速及反应速率)，因此反应器必须具备高兼容性和集成能力，以维持连续产率和系统稳定性。目前，C–N循环体系中常用的电催化反应器包括H型电池、流动电池、固态电解槽和膜电极组件(MEA)。在ME框架下评估时，这些平台在模块化操作的适配性方面存在显著差异。

2.3 能源供给模块

除原料模块与转化模块外，能源模块是ME体系中的关键组成部分。由于各功能模块在运行过程中存在显著差异，包括施加电压、电流密度及功率消耗等方面的不同，不同模块之间不可避免地会产生能量不匹配问题。这种能源异质性可能降低系统整体效率，或在特定负载条件下造成功率损耗。

该问题可通过与可再生能源的耦合得到有效解决。从系统构型角度来看，模块化框架允许太阳能电池板直接为特定反应器供电，而无需经过集中式电网中转。这种直接耦合策略使光伏阵列能够灵活配置，以匹配各独立模块的精确电压与电流需求。相比集中式供电方式，该策略能够实现更为灵活的负载平衡，并通过允许各模块基于实时能源供给独立调节功率消耗，从而提升系统运行的鲁棒性与适应性。此外，将ME系统与绿色能源相结合，不仅有助于实现低碳转化路径，还能够减少能源错配损失并降低运行成本。

III 系统整合策略

虽然单个模块设计提供了功能性构建单元，但核心挑战在于其整体整合。一个成功的C–N转化系统不仅仅需要简单地组装原料、反应和能源单元，它还要求对物质、能量和信息流进行深度协调，以在动态条件下维持平衡。这一转变将关注点从单模块优化转向确保整个系统架构的稳定性和鲁棒性。在模块间建立物质通量平衡是高效系统运行的基础。在ME框架下，整个系统在密闭环境中运行，防止气态或挥发性中间体的挥发，并确保停留时间通常在秒级或分钟级，远低于这些中间体的化学寿命。除了单独的传输稳定性外，这些物质流的协调对于整体系统完整性至关重要。在级联反应中，若一个模块的产率与下游模块的消耗率不匹配，将导致中间体积累或稀释。物质积累会引发局部压力异常和pH波动，同时可能毒害催化剂；相反，过度稀释会降低下游反应的动力学效率。为防止这些问题，ME系统引入了缓冲区策略，利用中间储存单元和压力调节装置吸收突发的流量波动。这些缓冲区为浓度均化提供必要的停留时间，然后原料进入下一阶段。在缓冲区内，还可以根据中间体性质和下游模块的具体要求，在进一步转化前进行气–液分离、净化或pH调节等额外处理步骤。如有必要，未反应的原料也可循环回上游模块以进一步转化，从而提高整体物料利用率并帮助维持系统级物质平衡。此外，通过持续跟踪下游模块的转化效率，可动态调整上游的操作条件如电流密度，以匹配中间体的消耗率，确保含碳和含氮中间体保持在稳定的操作范围内，并降低不希望的积累或损失风险。

IV 总结与展望

总之，ME强调将复杂反应模块化为简化且可控的基本步骤，从而赋予体系更高的灵活性、适应性与可扩展性。通过整合优化的模块化催化路径、定制化催化剂以及合理设计的反应器，ME能够在真实工况条件下将含碳与含氮废弃物直接转化为高附加值化学品。ME通过将多电子反应分解为基本步骤，从而降低催化剂开发复杂性，并实现成熟催化剂的直接利用。它允许根据原料波动和工业需求对模块进行动态重构。尽管ME展现出显著潜力，其实际部署仍面临多方面挑战，包括模块的高效集成、反应路径的合理设计、催化剂的多功能性、适配反应器的设计与开发以及系统的长期稳定性。克服这些障碍对于推动ME走向工业应用并实现可持续C–N循环至关重要。展望未来，技术经济分析(TEA)将成为评估ME系统整体成本效益与工业可行性的关键工具，用于指导预处理策略、能源利用方案以及工艺配置的合理设计，从而确保工程可行性与经济竞争力。ME代表了一种将先进电催化技术与实际工业应用相结合的有前景路径，其绿色与可持续特性有助于解决当前氮污染与GHGs排放问题，同时从系统层面应对C–N电催化中的挑战，为人工C–N循环系统的发展提供潜在框架。值得注意的是，该框架本身具有内在通用性，可扩展至其他复杂反应网络，例如涉及多电子转移路径的碳–硫(C–S)与碳–磷(C–P)偶联过程。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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