清华SIGS席靖宇＆深职大于利红AFM：金属泡沫电极硝酸盐制氨性能量化评估框架建立

第一作者：李永康

通讯作者：席靖宇，于利红

单位：清华大学深圳国际研究生院，深圳职业技术大学

氨是农业肥料生产和众多工业应用中不可或缺的关键化工原料，然而传统的哈伯 - 博施法合成氨存在高能耗和严重环境污染的问题，难以满足当前的能源与环境需求。与此同时，硝酸盐在农业和工业废水中的过量排放已成为全球性环境威胁，带来严重的生态风险。在此背景下，电化学硝酸盐还原反应（NO₃RR）作为一种既能实现可持续氨合成又能修复硝酸盐污染废水的双重解决方案，受到了广泛关注。不过，NO₃RR 的催化路径因催化剂表面不同而存在差异，影响产物生成的动力学和选择性，因此亟需建立常用催化剂间统一的性能量化标准。金属泡沫电极因其优异的导电性、高比表面积和催化活性，常被用作催化剂或基底，但目前相关研究中存在数据差异大、缺乏标准化协议、对反应中间产物动态变化研究不足等问题，阻碍了反应条件优化和机理理解。

近日，来自清华大学深圳国际研究生院的席靖宇与深圳职业技术大学的于利红合作，在国际知名期刊 Advanced Functional Materials 上发表了题为“Quantifying Nitrate Reduction to Ammonia Performance on Metal Foam Electrodes”的研究论文。该研究系统评估了铁、钴、镍、铜四种过渡金属基泡沫电极在 NO₃RR 中的性能，通过原位光学成像与电化学分析相结合的方法，在碱性和中性条件下对其进行了对比研究，建立了标准化的评估框架，揭示了反应过程中氨、中间产物亚硝酸根及氢气气泡的动态演化机制，并对基于泡沫电极的锌硝酸盐电池性能进行了标准化统一，为相关催化剂的设计与优化提供了重要参考。

通过原位光学成像和电化学测试发现，电极优异的NO₂转化能力和适中的析氢反应（HER）活性是高效合成氨的关键，钴泡沫完全符合这一标准。在碱性条件下，钴泡沫在 - 0.5 V vs RHE 时氨的法拉第效率达 96.37±3.05%，产率为 59.48±0.64 mg h⁻¹ cm⁻²，性能优于多数已报道催化剂。铜泡沫在初始两电子转移过程中催化活性最高，但生成的NO₂易脱附导致氨选择性差；铁泡沫在低电位下 * NO₂脱附明显，氨法拉第效率较低；镍泡沫表面因积累过多活性氢导致氢气生成，氨产率不佳。此外，基于钴泡沫的锌 - 硝酸盐电池功率密度达 11.08 mW cm⁻²，展现出同时产氨、发电和处理废水的潜力。

对比研究表明，钴泡沫在碱性和中性条件下均表现出优异的 NO₃RR 性能，铁泡沫成本较低但需优化中间产物转化，铜泡沫适合作为串联催化系统的前端模块，镍泡沫则更适合作为稳定的催化剂载体。未来研究可通过合金化策略或核 - 壳结构设计降低钴的使用成本，通过表面氧化、金属掺杂等方式提升铁泡沫性能，同时需建立全生命周期评估模型，为工业规模电解器设计提供多目标优化方案，推动电化学硝酸盐还原技术的实际应用。

Quantifying Nitrate Reduction to Ammonia Performance on Metal Foam Electrodes

李永康，清华大学深圳国际研究生院功能材料与器件专业2023级硕士研究生。