安徽大学鹿可ACS Appl. Energy Mater.：电催化硝酸盐还原研究进展综述

第一作者：丁天航

通讯作者：鹿可*，张红*，宋斌*

单位：安徽大学

全球水体越来越受到硝酸盐污染的威胁，这场不断升级的环境危机挑战了传统的水处理模式，需要创新的解决方案。电化学还原硝酸根制氨（NO₃RR）是在常温常压下，以水为氢源，硝酸根为氮源实现氨的一步合成方法，能够利用清洁能源在温和条件下实现氨的生产，相对于传统的哈伯-博世工艺具有明显优势。同时，NO₃RR能够将废水中的NO₃^-转变为NH₃，实现“变废为宝”和氮循环闭环。开发高性能功能催化剂是提高NO₃RR性能的关键，它直接影响到整个反应途径和产率。

近日，安徽大学鹿可教授应邀（Early Career Forum 2024）在国际期刊ACS Appl. Energy Mater. 上发表题为“Recent Advances in Electrocatalytic Nitrate Reduction: Strategies To Promote Ammonia Synthesis”的综述论文。该文章及时回顾了设计高效氨电催化剂的可控策略，包括缺陷改性、晶体调节和复合工程。同时，对影响各种工程材料NO₃RR活性和选择性的主要因素进行了展望。最后，提出了电催化剂优化的客观问题、未来发展趋势以及NO₃RR在实际工业应用中可能面临的挑战。

作者首先介绍了电化学还原NO₃^-的基本原理，电催化NO₃RR的反应机理分为直接电催化和间接自催化，反应途径与pH和硝酸盐浓度密切相关。最近的研究表明，直接电催化机制实际上在整个反应中占主导地位。直接电催化机理通常发生在低硝酸盐浓度(<1 M)的初级溶剂中，反应途径有电子转移还原（红框）和原子氢还原（绿框）两种。

作者系统总结了缺陷工程、晶体调节和混合工程对提高催化剂产氨的影响。具体而言，缺陷工程是通过在催化剂中引入或调节缺陷位点来改变其电子结构和表面性质，从而有效提高硝酸电催化还原催化剂性能的一种策略。晶体调节工程可以通过暴露特定的金属晶面/晶向，精确合理地操作可以促进催化剂的定向催化作用。而混合工程可以结合两种和/或更多的成分来构建高性能复合电催化剂。增强电催化NO₃RR性能。

作者认为在电催化NO₃RR中，提高电催化剂产氨效率的一种策略是在催化剂表面设计缺陷，增加易于吸附硝酸盐离子和激活氢的反应位点数量，促进特定的反应途径。此外，一些缺陷还可以调节电子结构和电子转移，从而进一步提高催化性能。通过调整催化剂表面晶面的取向和间距，即晶体调节工程，增加活性位点的数量和表面活性密度，达到较高的催化效率。此外，本工程还可以控制催化剂的孔隙结构，提高其传质性能，增加反应物的扩散速率，提高整体反应速率。此外，合金化和复合电极可以有效提高催化剂的氨选择性，实现高效可控的催化性能。但是，仍有一些问题限制这项技术的实际应用:

Recent Advances in Electrocatalytic Nitrate Reduction: Strategies To Promote Ammonia Synthesis