Angew. Chem.：通过铑铜合金化调控氢转移行为实现了一体化可持续的“糠醛-硝酸盐”体系

人类在工业化和农业化进程中产生了大量氮氧化物盐（如硝酸盐）和生物质衍生醛（如糠醛）等废弃物，其清洁转化和绿色利用是实现可持续未来面临的重大挑战。电催化硝酸盐还原合成氨因其在常温常压下进行、具有经济优势且可作为高效的废水处理技术而备受关注，但现有研究中硝酸盐还原反应（NO₃RR）的理论电位与实际起始电位差距大，且反应动力学缓慢、产物价值低。同时，糠醛是一种来自农业废弃物的生物质衍生分子，可通过电转化生产氢气和附加值高的呋喃羧酸，将硝酸盐电还原与糠醛升级耦合可平衡能量消耗、废物处理成本和产物经济性。但目前对于耦合反应中氢转移行为的关键中间体尚不明确，且缺乏能够同时优化NO₃RR和糠醛氧化反应（FOR）动力学的高效电催化剂，限制了该耦合系统的实际应用。近日，深圳大学的骆静利教授和赵斌特聘研究员团队，通过合理的热力学设计，创新性的提出了一体化可持续的“糠醛-硝酸盐”体系。并且该体系由双功能电催化剂RhCu NW/CF驱动，该系统以工农业废弃物为原料，“最大化利用”器件中双极的化学反应价值，在正极电催化还原合成氨以及负极选择性增值氧化制氢的同时输出电能，无碳排放，绿色环保，实现了制氢、储氢（制氨）、发电一体化。

研究团队通过经典的湿化学法成功合成了目标催化剂（RhCu NW/CF）。RhCu NW/CF形貌为密集的RhCu合金纳米线，尺寸均一，具有良好的晶体结构。RhCu NW/CF电催化剂中的Rh和Cu之间存在强耦合相互作用，优化了电催化剂的电子结构和活性位点。结合各种原位表征技术和理论计算结果可知，Rh-Cu键的形成可有效优化NO₃RR和FOR中质子中间体的转移行为，不仅有效降低了NO₃RR中质子中间体与氮氧中间体结合的决速步骤自由能能垒，还改变了质子中间体在FOR中的反应路径，最终促使两个电催化反应的起始电位更接近理论电位并展现出高电流密度的特征。最后，将RhCu NW/CF同时应用在NO₃RR和FOR中，可以实现在无需外部电源功能的情况下，同时实现废水净化、正极产氨、负极产氢和生物质升级的功能，还展现出良好的放电性能和经济价值，这为可持续能源解决方案提供了新的研究思路。

论文信息

Manipulation of Hydrogen Transfer Behaviors by RhCu Alloying Enables an All-in-one Sustainable “Furfural-Nitrate” System

Xin Long, Prof. Dr. Bin Zhao, Danni Liu, Guodong Fu, Hang Yang, Dr. Renfei Feng, Dr. Ning Chen, Hekun Ding, Jiayi Wu, Yuanfeng Liao, Prof. Dr. Shaoqing Liu, Yu Zhang, Prof. Dr. Xian-Zhu Fu, Prof. Dr. Jing-Li Luo

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202503424