电化学硝酸盐还原反应（eNO3RR）制NH3，在常温条件下运行并由可再生电力驱动，正受到越来越多的研究关注。这一过程不仅为氨合成提供了一条可持续路径，同时也是一种环境友好的硝酸盐治理策略，在能源转化和环境保护方面都具有双重意义。然而，该反应涉及多步质子–电子转移过程，副产物复杂（NO2−、N2、NH2OH等），加之析氢反应（HER）竞争，导致选择性和能效一直难以突破。设计高效、稳定的电催化剂是解决这一难题的核心。
近日，重庆大学黄建峰教授课题组在J. Am. Chem. Soc.期刊上报道了一种通过柯肯达尔效应（Kirkendall Effect）构筑的Cu/Ru异质界面空心纳米结构催化剂。该结构利用界面效应、串联催化和纳米限域的协同作用，有效降低了硝酸盐电还原制氨过程中的能垒并加快中间体转化。在eNO3RR制NH3反应过程中，该催化剂实现了高达97.4%的法拉第效率、152.6 mg h−1 mgmetal−1的产率和40%的能效，性能在电催化领域达到领先水平。研究不仅揭示了Cu/Ru界面的活性本质和机理，还提出了一种通用的设计策略，为开发高效可持续的电催化转化体系提供了新思路。
图1. 电催化NO3−还原为NH3反应示意图
研究团队通过多种对比实验、同位素标记实验及NO2−吸附实验，并结合原位XAS、原位DEMS、原位拉曼等表征手段，以及DFT与COMSOL模拟计算，系统性地揭示了NO3−还原为NH3的反应路径（以*N路径为主）以及“界面效应—级联催化—纳米限域”的协同反应机制。结果表明，i-CuRu在关键步骤 *NH → *NH2中具有最低能垒，是最优活性位点；其中，Cu位点主要负责NO3−向NO2−的初步还原，而Ru位点则进一步促进NO2−的深度加氢生成NH3。同时，空腔结构赋予的限域效应使NO2−在局域空间内富集并实现高效再吸附，从而有效抑制副产物的生成，并显著提升整体反应效率。
图2. eNO3RR的机理解析。
图2通过多维度的原位表征和对比实验，系统验证了Cu/Ru-300在eNO3RR中的真实机理。原位XAS结果（图2a）表明Cu在反应中保持金属态，并在负电位下表现出电子富集，有利于NO3−的吸附与活化；原位Raman光谱（图2b,c）进一步揭示了NO2−、NO、NH2 等关键中间体的生成与消耗规律，且Cu/Ru-300显示出更早出现和更高强度的信号，说明其对中间体转化效率更高；在线DEMS分析（图2d,e）证实反应主要遵循*N路径，同时Cu/Ru-300表现出较低的NO2−积累和更快的下游转化动力学。对比实验表明（图2f，g），Cu 主要促进NO3−向NO2−的初步还原，而Ru则更擅长将NO2−深度转化为NH3，两者在 Cu/Ru 界面实现高效的串联催化；有限元模拟（FEM）（图2h）进一步展示了空心腔体对NO2−的富集和限域作用，为其高效催化性能提供了有力支撑。综合来看，全面印证了“界面效应—级联催化—纳米限域” 的协同反应机制对提升eNO3RR制NH3效率的关键作用。
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Engineering Cu/Ru Heterointerface-Shelled Nanocavities by the Kirkendall Effect for Highly Efficient Nitrate Electroreduction to Ammonia
Shuangqun Chen, Zhouhao Zhu, Kepeng Song, Hengrui Zhang, Dan Luo, Tong Cao, Yongtu Zou, Changxu Liu, Liyong Gan, Daliang Zhang, Yu Han, Jianfeng Huang*
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 36494-36507, DOI: 10.1021/jacs.5c11097
作者简介
黄建峰教授简介：化学科学博士，博士生导师，重庆市纳米科学与工程领域学术技术带头人，中国能源学会专家委员会委，国家青年人才。于2015年从沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）获得博士学位（导师：韩宇教授）；随后于瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）开展博士后研究工作（2016-2019，合作导师：Prof. Raffaella Buonsanti），2019年加入重庆大学。目前在国际期刊发表包括第一作者 Nature Nanotech., Nature Commun., JACS, Nano Lett. 等在内40余篇论文；编写美国化学会（ACS）和Wiley专著各1章；获得授权国际专利和中国专利各1项；受邀作美国材料研究协会（MRS）等国际国内会议邀请报告10余次；入选Nanoscale2023 新锐科学家；担任Chemical Synthesis, Chinese Chemical Letters青年编委，JACS, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Catal., Nano Lett.等期刊审稿人。
本课题组主要从事面向能源应用的新型纳米材料的研究。包括：纳米材料的设计合成和生长机理；纳米材料的表面等离激元、光子和电子性质调控；纳米材料在表面增强拉曼散射、太阳能利用、光催化、电催化等领域的应用。
https://www.x-mol.com/university/faculty/229317
课题组青年教师招聘
一、招聘方向（1-2名）
电催化、DFT计算
二、招聘职位及待遇
（1）弘深青年教师(助理研究员/博士后)
1. 本科原则上毕业于“双一流A类高校”或“世界大学四大排名前100名高校”；
博士毕业于“双一流A类高校”或“A类学科”或“世界大学四大排名前100名高校”；
2. 博士期间学术成果优异；
3. 年龄一般<32周岁。
薪酬待遇
1. 30万/年+安家费20万+科研启动经费10万+科研绩效；
2. 事业编制教师福利待遇 (社会保险、住房公积金、工会福利和子女入学入托等) ；
3. 海外毕业博士重庆市一次资助10万科研经费；
4. 参加高水平国际学术会议，学校资助1.5万元；
5. 聘期结束后留渝工作重庆市资助15万；
6. 参加学校专职科研系列专业技术职务任职资格评审；
7. 申请重庆大学“弘深博士后青年教师”科学基金；
8. 重庆市博士后资助计划：（最高资助60万）
https://mp.weixin.qq.com/s/r3wUQkwpVzI2L6WuMtjSQg
三、联系方式
欢迎来信咨询，请发送个人简历至：
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