新闻网讯 10月3日，集成电路学院王春栋团队在《高级材料》（Advanced Materials）期刊发表题为“嵌入的 Fe-Cu 原子对实现串联式硝酸盐电还原制氨”（Embedded Fe-Cu Pairs Enable Tandem Nitrate-to-AmmoniaElectroreduction）的研究论文。我校王春栋教授、 香港城市大学王昕教授为论文通讯作者。

该研究聚焦于氨（NH3）的清洁生产，电催化硝酸盐还原反应是一种可持续技术，能够将环境中的硝酸盐转化为氨。研究设计了一种Fe-Cu对（Cu-N3/Fe3-N8）电催化剂，在-0.65 Vvs.RHE电位下，实现18.83 mg∙h⁻1∙mgcat⁻1的NH3产率，具有97.1%的法拉第效率。这种制备的Fe-Cu对克服了传统双金属催化剂通常依赖于直接原子耦合的局限性。由Cu–N3形成的缺电子区域增强了硝酸盐的吸附，而由Fe3–N8团簇产生的富电子区域则促进了亚硝酸盐的吸附并推动了水的活化。空间分离的电荷梯度优化了多步反应中间体的吸附能，从而建立一种接力机制。该工作为多活性位点电催化剂的设计提供了宝贵的见解，并为应对氮资源转化中的关键挑战提供了一种有前景的途径。

图为部分实验结果。

从学术与应用价值出发，研究虽为Cu基NO3RR催化剂设计提供了结构新范式，但仍有多个方向可进一步拓展，以推动理论深化与实际应用落地。一是催化剂设计与优化的多样化探索。未来可以进一步探索不同金属组合和材料结构，以优化催化剂的电子结构和活性位点。二是扩展催化剂在其他反应中的应用潜力。虽然现有研究主要集中在氨的生成上，但Cu基催化剂在其他反应中的应用潜力同样值得深入研究。未来可以探索这些催化剂在亚硝酸盐（NO2−）合成、电化学氮气（N2）还原等反应中的选择性和活性。这类反应的研究有助于丰富催化剂的应用场景，并为环境治理提供新的思路。三是催化反应机制深入研究。深入研究反应机制，将进一步促进理论模型的发展，并提高催化剂的设计效率。未来可以结合更先进的表征技术，如原位电化学质谱、时间分辨光谱等，监测反应过程中中间体的变化。四是催化剂的工程化应用与产业化前景。为将实验室的研究成果转化为工业应用，未来需要重点关注催化剂的工程化和产业化问题。这包括设计符合工业生产的催化剂制备工艺、反应体系优化及大规模生产的可行性研究。

据悉，此项工作是王春栋教授团队在催化方向的阶段性研究成果。团队长期从事电催化相关探索，近两年来在能源催化材料局域电子调控及反应动力学机制研究方面取得了系统研究成果。

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https://doi.org/10.1002/adma.202514840