中科大Nature子刊：缺陷诱导三重协同调制，促进催化剂在宽硝酸盐浓度范围电合成NH3

由可再生电能驱动的电化学硝酸盐还原(NO₃RR)反应可以在温和条件下生产绿色的氨(NH₃)，这为解决地下水硝酸盐污染和实现全球氮平衡提供了一条可持续的途径。然而，大多数研究集中在高硝酸盐浓度和理论条件下的性能，为了实现NO₃RR的实际应用，应该提高NO₃⁻-NH₃系统在不同硝酸盐浓度的性能，特别是在低硝酸盐浓度的条件下。值得注意的是，在低硝酸盐浓度下，剧烈的析氢反应(HER)限制了NH₃的高选择性和产量。同时，在典型的硝酸盐浓度下，活性*H的供应不足可能会限制体系达到工业水平电流。因此，同时解决低浓度下强烈的HER和典型硝酸盐浓度下活性*H供应不足的问题，对于NO₃RR的实际应用具有重要意义。

近日，中国科学技术大学章根强课题组通过原位电化学还原法制备的富缺陷铜纳米线阵列电极(V-Cu NAE)，并研究了其在电化学NO₃RR反应中的性能。原位光谱表征和理论计算表明，V-Cu NAE催化剂中的缺陷位点具有三重协同调节作用：增强NO₃⁻的吸附、促进水解离和抑制HER反应，因此该催化剂表现出较快的反应动力学、较高的NH₃选择性和优异的反应稳定性。

具体而言，V-Cu NAE催化剂在1-100 mM的硝酸盐浓度范围内可以达到50-1100 mA cm^-2的电流密度，NH₃的法拉第效率超过90%，并能够有效地降低溶液中硝酸盐水平，达到饮用水标准。此外，研究人员利用该电极组装出NO₃RR耦合甘油氧化反应(GOR)的系统，其在−1.4 V电压下，电流密度为550 mA cm^-2，NH₃选择性为99.9%，硝酸盐转化率为99.9%，并表现出100 h的优异稳定性，显示出良好的工业应用潜力。

总的来说，该项工作强调了催化剂中Cu空位在提高NO₃RR性能中所起到的重要作用，为设计和开发用以处理工业中复杂和多样的含硝酸盐废水的催化剂提供了思路。

Defect-induced triple synergistic modulation in copper for superior electrochemical ammonia production across broad nitrate concentrations. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-47025-w