ChemSusChem：铜基电催化剂结构设计助力硝酸盐绿色合成氨

在电催化硝酸盐还原制氨反应（eNO₃RR）中，铜基催化剂因其在关键决速步骤（NO₃⁻ → NO₂⁻）中表现出极快的反应动力学而备受关注。利用铜基催化剂将水体中的硝酸盐污染物高效转化为具有高附加值的氨，不仅可实现废水净化，还能用于合成含氮肥料，是一种“一石二鸟”的绿色策略。然而，该类催化剂虽已展现良好的反应活性，但在eNO3RR过程中易发生结构重构，严重影响其反应稳定性，是目前亟待解决的关键问题。

铜基材料的结构直接影响中间体的吸附能与反应能垒，这是决定材料催化性能和稳定性的核心因素之一。精准调控铜基催化剂的微观结构，是显著提升eNO₃RR性能与稳定性的核心手段。北京理工大学张加涛/戎宏盼团队系统综述了铜基催化剂在eNO₃RR中的最新研究进展，重点阐述了其微观结构的调控机制，涵盖金属铜的晶面调控、单原子位点的配位设计、双原子位点的协同效应、合金的电子效应以及异质结的界面工程等策略，并系统分析了这些调控手段在提升硝酸盐还原为氨的选择性、活性与反应稳定性方面的优势。

图1. 用于eNO₃RR的铜基催化剂结构调控策略示意图

作者首先系统介绍了电催化硝酸盐还原反应（eNO₃RR）的多路径反应机理，并强调了催化剂结构设计在调控反应路径中的关键作用。随后，文章分别从单金属结构（如金属铜、铜单原子、铜团簇）和双金属结构（如铜合金、铜双原子、铜异质结）两类体系出发，结合密度泛函理论计算与电化学性能测试，深入阐释了不同结构在调控关键中间体吸附行为、优化反应路径、抑制副反应以及提升反应稳定性方面的作用机制。接着，文章总结了当前该领域面临的主要挑战，具体包括：提升铜基催化剂在工业运行条件下的结构稳定性，建立相应的加速老化的测试方法；推动反应系统从实验室级H型电解池向能强化反应物传输、适配连续运行的流动池，再进一步升级为适应实际废水处理需求的高电流密度反应器升级；发展具有高时间分辨率的先进原位表征技术，以揭示反应微环境的动态演变过程；融合人工智能与理论计算，实现催化剂的高效筛选与理性设计；建立适用于真实废水复杂体系的普适性催化剂设计原则。最后，作者从开发高性能稳定催化剂、融合先进表征与AI辅助筛选、推动系统集成与工业化应用三个层面，展望了铜基催化剂在eNO₃RR领域的未来发展方向。

论文信息

Nitrate Electroreduction to Ammonia Over Copper-based Catalysts

Tailei Hou, Tianshang Shan, Hongpan Rong, Jiatao Zhang

ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202402331