氨(NH3)是人造肥料的氮源，是維持人類生命最基本的合成化學(xué)物質(zhì)之一，其與人類和社會的發(fā)展密切相關(guān)。眾所周知，大氣中的N2（占~78%）取之不盡、用之不竭，但N≡N鍵的化學(xué)惰性使N2很難轉(zhuǎn)化為NH3。在工業(yè)上，通常利用鐵基催化劑在高溫高壓條件下來合成NH3，這一過程占人類每年消耗的全部能源的1.4%左右，同時產(chǎn)生大量的CO2溫室氣體。因此，為了尋求較溫和條件下人工合成NH3新技術(shù)，科研人員進行了大量的研究，然而，N2轉(zhuǎn)化為NH3仍是一個難以實現(xiàn)的科學(xué)和技術(shù)問題。迄今為止，貴金屬、非貴金屬和不含金屬成分的碳基材料已經(jīng)被廣泛發(fā)展和研究，作為電催化劑展示出巨大的電催化固氮潛勢。相比較，不含金屬成分的碳基固氮電催化劑制備過程簡單，成本低，可從豐富的生物質(zhì)資源中獲取，已經(jīng)成為理想的高效固氮電催化劑材料。然而，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的電催化劑材料通常包含天然摻雜的氮元素，這些摻雜的氮元素含量、類型在電催化固氮（氮還原，NRR）過程中的影響及其固氮機制都亟需澄清和解決。

為此，該課題選擇豐富、廉價、可再生的、含天然氮元素的苜蓿作為原材料，通過碳酸鈣和醋酸鉀輔助活化熱解的方法制備出具有多級孔結(jié)構(gòu)的氮摻雜碳材料(其中氮的主要摻雜形式為吡啶氮)，并通過調(diào)節(jié)不同的熱解溫度獲得了不同吡啶氮含量的碳材料。研究表明，吡啶氮不僅在N2還原轉(zhuǎn)化為NH3過程中起重要作用，而且它本身也貢獻了一部分NH3形成，即摻雜的吡啶氮通過加氫形成NH3分子，在石墨碳上產(chǎn)生N空位，進而對N2分子進行吸附和活化。該研究也進一步通過理論計算、同步輻射、同位素標(biāo)記實驗對以上結(jié)論進行了深入揭示和證明。研究結(jié)果表明，熱解溫度為500°C條件下制備的吡啶氮碳材料（吡啶氮的含量：6.35 %；比表面：629.8 m2 g-1）電催化固氮性能最佳，在0.005 M H2SO4 電解質(zhì)溶液中，在-0.4 V（相較于標(biāo)準(zhǔn)氫電極）條件下，其合成氨產(chǎn)率為1.31 mmol h-1 g-1，法拉第效率為9.98%，擁有高的長期應(yīng)用穩(wěn)定性，表明生物質(zhì)衍生的氮摻雜多孔碳材料在電催化固氮方面具有很好的應(yīng)用前景。同時，由于所制備的氮摻雜碳材料也具有優(yōu)異的氧還原反應(yīng)(ORR)和氧析出(OER)性能，以其作為陰極催化劑構(gòu)建的金屬鋅-空電池可輸出電壓~1.35V，基于此，將金屬鋅-空電池與固氮體系有機整合，利用鋅-空電池供電實現(xiàn)了高效固氮應(yīng)用。此研究工作為將來能源領(lǐng)域固氮技術(shù)的實際應(yīng)用提供了重要的理論和實驗依據(jù)。