随着工业化进程的加速，硝酸盐（NO₃⁻）污染问题日益严重，其转化利用成为研究热点。氨（NH₃）作为一种重要的工业化学品，其传统合成方法存在能耗高、污染大等问题。电化学硝酸盐还原（NO₃RR）合成氨因其环境可持续性而备受关注。2025年3月4日，北京理工大学陈鹏万教授、陈文星副教授、高鑫副教授等在《Nature Communications》期刊上发表了题为“Tailoring asymmetric RuCu dual-atom electrocatalyst toward ammonia synthesis from nitrate”的研究论文，开发了一种脉冲放电合成策略，成功制备了具有非对称配位结构的原子级分散钌铜双原子催化剂（RuCu DAs/NGA），为可持续氨合成提供了新途径。
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创新合成策略：研究团队采用脉冲放电合成方法，成功制备了非对称配位结构的原子级分散钌铜双原子催化剂（RuCu DAs/NGA），显著提升了电化学硝酸盐还原合成氨的性能。
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卓越催化性能：RuCu DAs/NGA催化剂在电化学硝酸盐还原合成氨过程中表现出卓越性能，法拉第效率高达95.7%，氨产率达到3.1 mg h⁻¹ cm⁻²。
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普适性：脉冲放电方法成功应用于合成多种其他双原子催化剂（如PtCu、AgCu、PdCu等），为精确制备原子级分散双原子催化剂提供了一种通用策略。
图1：RuCu双原子催化剂的制备过程
图1展示了钌铜（RuCu）双原子催化剂（DACs）在氮掺杂石墨烯气凝胶（NGA）上的制备过程。研究团队采用脉冲放电策略，通过将微秒级脉冲电流注入NGA上的钌和铜前驱体，实现了原子级分散的Ru和Cu双原子的快速合成。这种非对称的RuN₂-CuN₃配位结构不仅优化了反应中间体的吸附能力，还降低了关键反应步骤的能量障碍。
图2：催化剂的微观结构和化学组成
图2通过一系列高分辨率的显微镜图像和光谱分析，揭示了RuCu DAs/NGA催化剂的微观结构和化学组成。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示了催化剂的三维多孔结构，而高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像则清晰地展示了原子级分散的Ru和Cu原子。
图3：催化剂的原子配位结构和化学状态
图3通过X射线吸收光谱（XAS）分析了RuCu DAs/NGA催化剂的原子配位结构和化学状态。X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱揭示了Cu和Ru原子在催化剂中的氧化态和配位环境。
图4：其他金属-铜双原子催化剂的结构表征
图4展示了通过脉冲放电方法合成的其他金属-铜双原子催化剂（如PtCu、AgCu和PdCu）的结构表征。这些催化剂同样以氮掺杂石墨烯气凝胶为载体，具有类似的非对称配位结构。
图5：催化剂在NO₃RR合成氨反应中的性能
图5评估了RuCu DAs/NGA催化剂在电化学硝酸盐还原（NO₃RR）合成氨反应中的性能。线性扫描伏安法（LSV）曲线显示，RuCu DAs/NGA具有最低的起始电位和最快的电流密度下降速度，表明其在NO₃RR过程中具有优异的活性。
图6：理论机制的深入探讨
图6通过密度泛函理论（DFT）计算，深入探讨了RuCu DAs/NGA催化剂在硝酸盐还原合成氨（NO₃RR）过程中的理论机制。计算结果表明，RuN₂CuN₃结构具有更强的吸附能力和更低的反应能量障碍，能够显著降低关键中间体（如*NO）的氢化步骤能量障碍。
本研究成功设计并利用氮掺杂石墨烯气凝胶（NGA）的纳米孔缺陷，通过脉冲放电方法快速合成了原子级分散的钌铜（RuCu）双原子催化剂（RuCu DAs/NGA）。研究揭示了RuCu DAs/NGA中存在非对称的RuN₂CuN₃配位结构，这种独特的结构显著提升了催化剂在电化学硝酸盐还原（NO₃RR）合成氨过程中的活性和选择性。实验与理论计算表明，该非对称结构通过优化反应中间体的吸附能力和降低关键步骤的能量障碍，实现了高效的催化性能。此外，脉冲放电技术具有广泛的普适性，可用于制备多种双原子催化剂（如PtCu、AgCu和PdCu DAs/NGA），为原子级分散催化剂的精确制备提供了一种高效、通用的策略。本研究不仅在学术上具有重要意义，其在可持续氨生产领域的应用前景也极为广阔。通过优化双金属催化剂的结构，实现了高效、低能耗的氨合成，这对于减少温室气体排放和降低能源消耗具有深远意义。未来的研究方向可能包括进一步探索其他金属组合的双原子催化剂，以及将脉冲放电技术应用于更广泛的能源转化和催化反应中，以推动可持续化学和环境修复领域的技术进步。
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