南开新闻网讯（通讯员 郎宇鹏）近日，南开大学化学学院马建功教授、程鹏教授团队在电催化硝酸盐还原制氨领域取得重要研究进展。团队创新性地提出了活性氢精确调控的设计思路，实现了活性氢生成与硝酸盐还原过程的空间解耦。这一策略不仅显著抑制了竞争性析氢副反应，还为硝酸盐还原提供了充足且持续的活性氢供应，为高效、可持续的电化学合成氨开辟了新路径。该研究从活性氢物种的精准调控角度出发，为设计高性能电催化剂提供了全新视角。相关成果发表在国际顶级期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society），并选为第13期封面文章（front cover）。

　　电催化硝酸盐还原制氨（NO₃RR）技术能够在常温常压下将硝酸盐转化为高附加值氨，兼具污染治理与绿色合成的双重优势，被视为替代传统工艺的理想路径之一。铜基催化剂凭借其对硝酸盐优异的活化能力，以及资源丰富、成本低廉等优势，成为NO₃RR领域最具应用潜力的催化材料。然而，该类材料在实际应用中仍面临两大瓶颈：其一，铜基催化剂自身产生活性氢的能力较弱，导致硝酸盐还原过程中关键加氢步骤供应不足，反应难以彻底进行；其二，有限的活性氢易通过析氢副反应被无效消耗，与目标NO₃RR形成剧烈的竞争，严重制约氨选择性和法拉第效率的提升。

　　针对上述挑战，研究团队通过将活性氢生成位点（Pt NPs）、硝酸根还原位点（Cu NWs）以及活性氢定向迁移通道（ZIF）集成于一体，构筑了结构独特的Pt@ZIF@Cu三元催化剂。该催化剂能够大幅降低活性氢物种从Pt位点到Cu位点的迁移能垒，同时显著提高Pt位点上活性氢复合生成氢气的能垒，使得Pt位点生成的活性氢能够被高效地定向输送至Cu位点参于硝酸根还原，从而有效避免了其在Pt位点通过析氢反应被无效消耗。实验结果表明，该催化剂在-0.8 V（vs. RHE）的电位下实现了4.6 mmol h^-1 mg_cat^-1的氨产率，以及在较宽的电位窗口内法拉第效率均超过了80%，性能要显著优于其它单组分和双组分催化剂。并且Pt@ZIF@Cu在膜电极组件中的催化性能进一步提升，在1.4 A cm^-2的电流密度下氨产率高达8.34 mmol h^-1 mg_cat^-1。

　　图1：Pt@ZIF@Cu催化剂的结构表征

　　图2：活性氢的生成、迁移与利用机制表征

　　本工作以南开大学为第一完成单位，南开大学化学学院博士生雷斌为论文第一作者，马建功教授和程鹏教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金的支持。

　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c21149

编辑：韦承金