第一作者：李哲
通讯作者：吴轩浩/吴忠标
通讯单位：浙江大学
DOI：10.1038/s41467-025-67244-z
本研究开发了一种基于CuAg双金属纳米合金催化剂的气体扩散电解池系统，用于高效电催化还原N2O为N2。在10 vol.% N2O的工业浓度条件下，系统实现了79.4%的单程转化率及1381.7 μmol h-1 mgcat-1的高分解速率。计算流体动力学模拟表明，该体系通过优化气体流动与扩散路径，显著提升了N2O在电极表面的分布均匀性，克服了传统间歇式反应器的传质限制。Cu与Ag之间的电子协同效应强化了N2O的吸附、加氢及N–O键的解离。技术经济评估显示，该工艺的平准化分解成本为1.66~2.14 $ kg-1。该研究凸显了电催化N2O分解技术的应用潜力与工程可行性。
氧化亚氮（N2O）是仅次于二氧化碳和甲烷的第三大温室气体，其全球变暖潜势（GWP）可达CO2的273倍，并能显著破坏臭氧层，已被视为21世纪主要的人为臭氧消耗物质之一。工业排放（如己二酸、硝酸生产尾气）是其重要人为来源，这类废气中N2O浓度较高（0.3~40 vol.%）、排放集中，适宜进行定向治理。目前广泛采用的热催化技术存在能耗高、碳排放量大、催化剂易失活等局限，因此迫切需要发展低温、高效且可持续的新型减排途径。
电催化N2O还原反应作为一种环境友好、可在温和条件下进行的替代技术，显示出良好前景，但面临单程转化率低（通常＜30%）的瓶颈。该问题主要源于两方面：一是反应器内传质效率低，传统电解池中N2O溶解度有限、扩散路径长；二是催化剂本征活性不足，N2O分子化学惰性强，其在催化剂表面的吸附与活化过程能垒较高，后续N–O键加氢断裂步骤动力学缓慢。这些因素共同制约了该技术的整体转化效率与实际应用可行性。
本研究基于CuAg双金属纳米合金催化剂，通过协同创新反应器结构与精准调控催化剂活性位点，在常温常压下实现了N2O的高效定向转化。主要亮点如下：
(1) 优化气‑液‑固三相传质过程
采用蛇形流道的气体扩散电解池，显著强化了反应物传质效率，实现了N2O的均匀分布与高效扩散。
(2) 构建双金属协同活性位点
利用Ag诱导的电子转移调控Cu位点电子结构，增强N2O化学吸附，促进关键中间体*NNOH生成，显著降低N–O键断裂能垒。
(3) 实现工业浓度下的高效转化
在–1.4 V vs RHE、10 vol.% N2O条件下，系统实现79.4%的单程转化率，分解速率达1381.7 μmol h-1 mgcat-1，性能表现显著优于现有体系。
图1 CuAg双金属纳米合金催化剂-气体扩散电解池体系电催化氧化亚氮还原示意图。
图2 CuAg/MWCNT催化剂理化表征及其N2ORR性能。
1. CuAg/MWCNT催化剂：金属活性位点丰富、形成导电网络
采用浸渍煅烧法合成的CuAg/MWCNT催化剂具有丰富的、分布均匀的金属活性位点，碳纳米管载体形成了有利于电子快速迁移的导电网络。
2. 气体扩散电解池：大幅提高转化率与反应速率
气体扩散电解池（GDE）中的蛇形长流道设计实现气流稳定流动，确保气体与催化剂充分接触，从而大幅提高N2O转化率与反应速率，其转化率达到传统H型电解池的3.2倍。
3. 构效关系：Cu为主要反应位点，CuAg0.13具备最佳性能
10 vol.% N2O在GDE中的转化率与法拉第效率呈现倾斜的“M型”火山图，表明Cu为主要活性位点。其中CuAg0.13具备最佳性能，在–0.8~–1.6 V vs RHE的电位区间内实现了65.1~79.4%的转化率和60.5~92.6%的法拉第效率。
图3 N2O流动状态的CFD模拟
1. 流速分布对比：GDE为稳定层流，H cell为瞬变紊乱流
GDE内流速分布稳定，受粘滞效应影响，沿流道中心高、两侧低，呈现典型的层流特征；而H cell中流速在时间与空间上均有显著波动，气流呈现随机紊乱状态，高速区局限在气体入口附近。
2. 浓度分布对比：GDE浓度均匀且维持高水平，H cell浓度低且存在垂向梯度
GDE中气体浓度随通气快速达到均匀稳定状态，整体平均浓度较高；H cell中气体因浮力作用主要积聚于电极上半部分，空间分布不均，平均浓度较低，形成由上至下递减的浓度梯度。
3. N2O扩散与降解行为：10 vol.%实现利用率最大化
理想条件下，N2O扩散通量随入口浓度线性上升；实际降解速率在10 vol.%浓度时提升最为显著，表明该条件下降解效率与反应速率达到最优匹配，体系由传质控制为主转向动力学控制为主，实现了反应物利用效率的最大化。
图4 CuAg纳米合金催化剂在N2ORR中的电化学性质。
1. 高电流响应：双金属协同强化反应动力学
CuAg纳米合金表现出显著的N2ORR电流响应，其中CuAg0.13催化剂的电流响应最强，验证了其最优的双金属协同催化效应。
2. 优异的电化学性能：双金属协同促进电子转移与表面反应
CuAg0.13催化剂具有最低的电化学阻抗与最大的电化学活性面积，表明其具备卓越的电子传导能力与丰富的表面活性位点。
3. 良好的稳定性与抗干扰性：48小时连续运行表现
在10 vol.% N2O及含0.5 vol.% O2气氛中，该催化剂在48小时内保持稳定的N2O转化率与电流密度；而在5 vol.% CO2存在下，因碳酸盐沉积导致活性位点堵塞，N2O转化率下降，这成为实际烟气应用中的一大挑战。
4. CO2协同捕集：实现过程耦合与降碳减排
N2O还原过程生成的OH⁻可用作CO2的捕获剂，使该技术兼具N2O降解与CO2捕集的双重功能，展现出良好的过程耦合潜力与减排协同效益。
图5 N2ORR的机理分析。
1. 活性中间体的探测：双金属协同促进中间体生成与转化
CuAg双金属协同促进了*NNOH与*OH中间体的形成及活性氢的生成与利用，揭示了双金属体系在N2O吸附、氢化及N–O键断裂中的关键作用。
2. 关键步骤的能垒调控：显著强化吸附、氢化与断键过程
CuAg双金属催化剂通过形成独特的N–Cu与O–Cu共吸附构型，将N2O吸附能垒降至0.32 eV，氢化的能垒仅为0.07 eV，N–O键断裂自由能降至–1.58 eV，表明双金属协同体系能显著降低关键步骤能垒，逐步推进N2O高效分解。
3. 电子结构重构：形成缺电子Cu活性位点
双金属电负性差异导致Cu→Ag的电子迁移，缺电子的Cu具有较强的电荷转移能力，促进中间体吸附与活化，揭示双金属通过电子调控优化反应位点的协同机制。
图6 N2O分解技术的技术经济评估。
1. 技术成本构成分析
N2O电催化分解的平准化成本为1.66~2.14 $ kg-1，在–1.4 V vs RHE时最低。成本结构中运营与资本各占约50%。
2. 成本关键影响因素与优化路径
法拉第效率、电流密度与转化率是影响成本的关键因素。当前电催化成本略高于热催化（0.94 $ kg-1），优化反应选择性与效率是突破经济瓶颈的关键。
3. 多参数协同优化实现成本突破
协同提升法拉第效率至90%、电流密度至60 mA cm-2、转化率至90%，并降低设备成本与电价，系统平准化成本可降至0.90 $ kg-1，实现低于热催化工艺的经济突破。
本研究基于CuAg双金属纳米合金催化剂与气体扩散电解池，在工业浓度下实现了N2O的高效低温电催化还原，阐明了Cu–Ag协同促进N2O吸附、氢化与断键的机制，并展示了反应过程耦合CO2捕集的协同减排潜力。研究结果为发展低温、低能耗的N2O资源化技术提供了理论与技术基础，未来需进一步面向实际复杂烟气条件，推进催化剂与反应体系的工程化放大与应用验证。
李哲，浙江大学环境与资源学院博士研究生，主要研究方向为N2O温室气体电催化治理技术。目前已以第一作者在Nat. Commun.、Environ. Sci. Technol.等高水平期刊发表SCI论文3篇。
吴忠标，教育部长江学者特聘教授，国务院政府特殊津贴专家，浙江大学求是特聘教授/博士生导师。现为国家重点学科-浙江大学环境工程学科负责人，浙江大学环境技术研究所所长，浙江省工业锅炉炉窑烟气污染控制工程技术研究中心主任。主要研究大气污染控制与治理、环境催化、减污降碳与资源化利用等方向。先后主持国家重点研发计划/863计划项目4项，国家自然科学基金项目6项。授权专利130余项，发表SCI论文300余篇。主编出版《大气污染控制工程》、《环境催化原理及应用》等著作教材11部。入选2019-2021年科睿唯安高被引科学家，2014-2023年爱思唯尔中国高被引学者榜单，2024年入选中国环境科学学会会士。研究成果获教育部自然科学奖、教育部科技进步奖、浙江省科技进步奖等省部级一等奖5项。
吴轩浩，浙江大学环境与资源学院“百人计划”研究员，博士生导师，本科毕业于复旦大学，博士毕业于美国圣路易斯华盛顿大学，于美国耶鲁大学从事博士后研究。研究聚焦含氮污染物与温室气体催化治理与资源化。发表论文60余篇，通讯/一作论文32篇，包括Nat. Commun.、Sci. Adv.、Chem. Soc. Rev.、Environ. Sci. Technol.、ACS Catal.、Appl.Catal. B等。主持国家与省部级项目/课题4项。担任浙江省环境科学学会工业废气专委会委员，Nano-Micro Letters与CleanMat期刊青年编委，ACS EST Engineering客座编辑。获2025年浙江省环境科学学会青年科学家奖特别奖、2023年ACS EST Engineering优秀审稿人奖。主页：https://person.zju.edu.cn/0022056
Li, Z., Yuan, J., Wu, Z., Wu, X. High single-pass conversion of nitrous oxide to dinitrogen in gas-diffusion-electrolyzer. Nat. Commun. (2025): in press.
https://doi.org/10.1038/s41467-025-67244-z
版权声明
测 试
