崔浩教授、王成新教授团队近期在硝酸盐电催化转化方面最新进展

     电催化硝酸盐还原反应（NitRR）是一种非常有前景的合成氨途径之一，它既能实现废水处理，又能可持续地生产氨，具有环境修复的双重功效。然而，NitRR是一个八电子（8e）转移过程，涉及到复杂且缓慢的多步质子偶联电子转移过程和化学步骤，过多的中间产物易于受到各种还原副反应的竞争。目前，大多数NitRR催化剂都是针对特定的硝酸盐浓度而设计的，难以在变化的硝酸盐浓度场景中，特别是同时在低浓度和高浓度条件下获得满意的性能，其中较低浓度下强烈的析氢反应（HER）以及高浓度下活性氢的供应不足都会限制产量和法拉第效率（FE）。而真实场景中的含硝酸盐废水浓度范围很广，从纺织工业废水中低至7.40 mmol L⁻¹到核废料中高达1.95 mol L⁻¹。这种显著的浓度变化将直接影响NitRR过程，不利于催化剂在不同浓度下的活性和选择性。

近日，中山大学材料科学与工程学院王成新教授、崔浩教授研究团队提出了一种多策略协同优化NitRR过程的方法，通过合理设计具有应力金皮肤层的有序介孔金属间化合物AuCu₃（meso-i-AuCu₃@ultra-Au）作为浓度通用的高性能NitRR电催化剂。内部有序的介孔中间相和表层具有应力的超薄金皮肤层组成的核壳结构（见图1），这种独特的高渗透分级多孔和表面压缩性应力不仅促进了电子/质量的快速传递，而且有效地调节了表面电子结构，从而优化了NitRR过程中的电化学行为。

这种新型催化剂在实际而广泛的浓度范围（10-2000 mM）内表现优异的NitRR活性和超过95%的法拉第效率，见图2。值得注意的是，其在每个浓度下的性能都与为该浓度设计的相应最先进的催化剂相当。多重operando光谱显示，在促进加氢步骤的同时，催化剂还优化了不同中间体（*NO_x和*H）的吸附行为，从而实现了全面的高效还原过程（见图3）。

图1. meso-i-AuCu₃@ultra-Au的形貌及原子结构分析。

图2. meso-i-AuCu₃@ultra-Au电催化剂的NitRR性能评估。

图3. meso-i-AuCu₃@ultra-Au的NitRR作用机理及反应路径研究。

        此外，该催化剂还表现出在工业相关电流密度下的氨生产和概念性锌硝酸电池（ZNB）中的应用前景，实现含硝酸盐废水转化、氨合成和能量供应的三重功能。总之，该工作通过多管齐下的优化策略和合理的催化剂设计，为在实际场景中应用NitRR的浓度通用电催化剂的设计提供了宝贵的见解，进一步推动了绿色高效电化学合成氨的工业化进程和可持续发展应用。

相关研究以′′Strained Au skin on Mesoporous Intermetallic AuCu3 Nanocoral for Electrocatalytic Conversion of Nitrate to Ammonia across a Wide Concentration Range′′为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202408758）。我院21级硕士研究生肖宇航是该论文的第一作者，王成新教授及其团队崔浩教授作为论文的共同通讯作者，中山大学材料科学与工程学院是论文唯一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、中山大学测试中心的大力支持。