等離子體輔助的集成/級聯N₂氧化和電催化NO_x^–(其中x = 2，3)還原反應(pNOR-eNO_x^–RR)對于氨(NH₃)的可再生合成具有很大的前景。但等離子體對N₂和O₂分子的活化作用和以及通過eNO_x^–RR合成NH₃的機理尚不清楚，這在很大程度上限制了該工藝大規模部署。基于此，大連理工大學邱介山和于暢等報道了一種等離子體級聯pNOR-eNO_x^–RR集成系統，它將等離子體技術的優勢與電化學反應相結合，用于使用N₂、O₂和H₂O分子進行NH₃電合成。

研究人員使用銅(Cu)納米顆粒作為代表性電催化劑，系統地研究了N₂和O₂分子的等離子體激活和重組過程，并且解耦了eNO_x^–RR在微觀水平上的機理。結果表明，pNOR系統中產生的NO_x濃度與火花放電長度以及N₂和O₂進料氣體的體積比呈現出函數關系。通過原位紅外光譜和拉曼光譜監測到NO_x^–的連續質子化過程和eNO_x^–RR的關鍵含N中間體(例如-NH₂)，并進一步揭示了銅納米粒子在eNO_x^–RR過程中的動態重建過程。

通過優化系統參數(放電距離為2.0 cm，進料N₂/O₂體積比為1:1)，Cu納米顆粒驅動的pNOR-eNO_x^–RR系統最終可以實現約40 nmol s^-1 cm^-2的高NH₃產率和接近90%的法拉第效率。綜上，預計這項工作將促進pNOR-eNO_x^–RR系統的實際開發，以實現在環境條件下直接從空氣和水中綠色電合成NH₃。

Microscopic-Level Insights into the Mechanism of Enhanced NH₃ Synthesis in Plasma-Enabled Cascade N₂ Oxidation-Electroreduction System. Journal of the American Chemical Society, 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c00089