日前，哈爾濱工業大學深圳校區理學院何思斯、周佳課題組在硝酸鹽電催化轉化領域取得突破性成果，相關成果以《具有梯度結構RuCo電催化劑用於將低濃度硝酸鹽在安培級電流密度下電還原合成氨》(Gradient-concentration RuCo electrocatalyst for efficient and stable electroreduction of nitrate into ammonia)為題，發表於《自然通訊》(Nature Communications)，並被期刊編輯部選為“催化”(Catalysis)領域50篇亮點文章之一。該項研究設計了一種廢水中利用及高效轉化硝酸鹽為氨的高效電催化劑，為廢水處理和低碳能源生產提供了新途徑。

　　電催化硝酸鹽還原製氨(NRA)被認為是低成本可持續的氨能獲取方式，它能夠將廢水中的硝酸鹽轉換為理想的清潔能源氨的技術路線，既減少了環境汙染，也為可持續氨生產節約了能源。但氮基肥料和生活汙水排放產生的受汙染的地下水中的硝酸鹽源主要以低濃度(≤10 mM)為主，而目前大多數已報道的催化劑在高濃度(>100 mM)硝酸鹽還原下進行測試表現出高法拉第效率和氨收率，這是由於工作電極附近硝酸根離子的遷移受限以及存在競爭性析氫反應。因此，低濃度硝酸鹽高效電還原仍然是學術界麵臨的主要挑戰。

　　為提高NRA反應的催化性能，研究團隊提出了一種梯度濃度結構設計合成的鈷基催化劑來優化NRA過程的策略。這種梯度結構的釕鈷電催化劑在典型工業廢水(2000 ppm)的低硝酸鹽濃度下表現出超高的NRA催化性能——超過93%的氨氣生產法拉第效率和1.0 A/cm2的工業級氨氣電流密度，同時穩定工作時長可達720小時。結合原位譜學表征和理論計算揭示了該催化劑的NRA反應機理。組裝的膜電極器件可以在高電流密度下穩定工作超過100小時，證實了該NRA催化劑的實際工業潛力。

　　研究團隊通過陽離子交換法實現了在鈷基電催化劑的表麵到內部釕梯度濃度降低的結構(如圖1所示)，這種摻雜策略減少了貴金屬釕的摻雜，保證了主體的鈷晶體結構(金屬鈷和NO3-可以自發反應生成高價鈷和NO2-)，同時使催化劑的表麵有足夠的釕來為後續反應提供足夠多的活性氫(促進高價鈷向金屬鈷的還原以及促進NO2-到NH3的質子化過程)。

圖1. NRA催化劑的設計和合成

　　哈工大深圳校區為論文第一完成單位和通訊單位，理學院博士研究生陳昕鴻為論文第一作者，理學院何思斯教授和周佳副教授為共同通訊作者。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50670-w