导语
将工业废水中的硝酸盐污染物“变废为宝”，直接转化为高价值的氨，这一绿色化工梦想迎来重大技术突破！南京大学丁煜、上海理工大学崔铭锦、同济大学杨孟昊等团队在材料科学顶级期刊《Advanced Functional Materials》（影响因子19.0）上发表里程碑研究成果。该研究首创 “液态金属焦耳加热” 快速合成策略，在短短1分钟内成功制备出铟掺杂的有序金属间化合物纳米催化剂，实现了97.3%的超高氨法拉第效率和6.43 mg h⁻¹ cm⁻²的创纪录产率。这项技术不仅将传统长达数小时的合成过程缩短至分钟级，更以低于50美元/克的极低成本，为电催化合成氨的产业化扫清了关键障碍。
🔍 研究亮点
分钟级超快合成：利用液态Ga介质与焦耳加热，在1分钟内完成有序金属间化合物的可控制备，效率提升百倍
创纪录催化性能：在-0.6 V电位下，氨的法拉第效率高达97.3%，产率达6.43 mg h⁻¹ cm⁻²，选择性近乎完美
极低规模化成本：合成成本<50美元/克，温室气体排放仅19.616 kg CO₂-eq/克，具备巨大产业化经济性
机制深度创新：液态金属诱导d-p轨道杂化，精准调控电子结构，同步提升活性和抑制副反应
📊 图文解析
示意图1 合成流程设计
该图清晰展示了“一步快速合成”的核心策略：以高流动性液态Ga纳米颗粒为动态反应介质，与碳载体和钌前驱体均匀混合，经简单干燥后，通过焦耳加热装置进行约1分钟的快速热处理。液态Ga的关键作用在于其低粘度和高原子迁移率，极大地促进了Ru、Ga、In原子间的互扩散，从而在瞬间完成有序晶格的形成，从根本上避免了传统长时间退火导致的颗粒粗化和元素偏析。
图1 微观结构表征
TEM和HRTEM图像证实，所合成的In-RuGa金属间化合物纳米颗粒尺寸均一（8.7 ± 2.0 nm），并在碳载体上均匀分散。高分辨图像显示清晰的晶格条纹（0.308 nm）。最具说服力的是像差校正HAADF-STEM图像，沿不同晶带轴直接揭示了Ru原子（亮）与Ga/In原子（暗）在晶格中的有序交替排列，完美符合体心立方结构模型。EDS元素面分布图进一步证明Ru、Ga、In三种元素在纳米颗粒内达到原子级均匀混合，无任何偏析。
图2 光谱分析与电子结构
XRD谱图显示所有衍射峰均对应有序的bcc RuGa相，In掺杂引起峰位系统性偏移，表明晶格膨胀。XPS分析显示，与纯Ru相比，In-RuGa中Ru 3p结合能发生负向位移，证实电子从Ga和In向Ru转移，使Ru位点富电子化。EXAFS分析进一步确认了独特的Ru-Ga配位环境（配位数~8），与有序合金结构一致，这与金属Ru箔的配位结构截然不同。
图3 电催化性能评估
线性扫描伏安曲线显示，In-RuGa IMCs对硝酸盐还原反应具有极高的本征活性。在-0.6 V（相对于可逆氢电极）下，其氨法拉第效率高达97.3%，副产物亚硝酸盐的选择性始终低于5%。氨产率达到6.43 mg h⁻¹ cm⁻²的优异水平。催化剂在连续20次循环测试中性能保持稳定，展现了出色的耐久性。同位素标记实验最终确证生成的氨完全来源于硝酸盐的电催化还原。
图4-5 反应机理深入阐释
结合电子顺磁共振、原位质谱和红外光谱，研究揭示了反应遵循 “逐步加氢” 路径（NO₃⁻ → *NO₃ → *NO → *NHO → *N → *NH → NH₂ → NH₃），并证实活性氢自由基（•H）是关键氢源。密度泛函理论计算指出，In掺杂优化了Ru的d带中心，增强了对反应中间体的吸附。最关键的是，计算表明**NO→NHO步骤为决速步**，而In-RuGa催化剂将此步骤的能垒降至1.07 eV，同时显著提高了析氢反应的能垒，从而在动力学上优先保障了高选择性合成氨。
图6 规模化与经济技术分析
研究展示了基于卷对卷设备的规模化合成可行性。全面的技术经济与环境影响分析显示，该液态金属快速热扩散法在时间、能耗、成本、操作简易性及可扩展性五个维度全面优于传统合成方法。其每克催化剂生产成本低于50美元，温室气体排放当量仅为19.616 kg CO₂-eq，凸显了该方法在绿色制造和未来产业化方面的巨大潜力。
⚙️ 技术支撑
液态金属焦耳加热系统：集成液态金属介质与快速焦耳加热，实现分钟级精确合成
多维原位表征平台：结合原位ATR-FTIR、DEMS、EPR，实时揭示催化反应过程与机理
跨尺度理论计算：通过DFT计算电子结构、反应路径与能垒，从原子尺度指导材料设计
规模化工程验证：采用卷对卷设备演示克级制备，并结合全生命周期评估产业化前景
💎 总结与展望
本研究通过液态金属介导的焦耳加热策略，实现了高性能金属间化合物催化剂的分钟级快速、低成本、绿色合成，在电催化硝酸盐还原制氨反应中取得了接近理论极限的效率和产率。这项工作不仅为设计下一代高效电催化剂提供了全新的材料体系，更重要的是，它开创了一种颠覆传统的催化剂制备范式，将合成时间从“小时”缩短至“分钟”，成本降低数个量级。随着该策略向更多金属体系拓展，并与其他连续流反应器技术结合，有望在绿色氨合成、工业废水处理、能源存储与转化等领域引发变革，为碳中和目标提供强有力的技术支撑。
文献信息
Liquid Metal‐Enabled Rapid Structure Ordering of Intermetallic Nanocrystals with Electronic Modulation.
Xinwei Shi; Yongqing Gong; Zhichao Wang; Mingjin Cui; Ze Lin; Zhanqi Xing; Guo Yang; Chenlu Jiang; Seungjun Oh; Menghao Yang; Jiwoong Bae; Yu Deng; Yu Ding.
Advanced Functional Materials, 2025.
ISSN: 1616-301X, 1616-3028
DOI: 10.1002/adfm.202525452
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