江苏大学研发非晶晶态界面催化剂 高效电催化硝酸盐制氨

近日，江苏大学李海涛教授团队在《纳米研究》（Nano Research）期刊发表重要成果，开发了一种基于非晶/晶态双相铁/铜（a-Fe/Cu）的新型催化剂。该材料通过独特的界面结构设计，在电催化硝酸盐还原合成氨领域展现出卓越性能，为废水资源化利用与绿色能源转换提供了新思路。

突破传统瓶颈：非晶/晶态界面协同效应

电催化硝酸盐还原反应（NO3RR）被视为可持续氨合成和废水处理的双重解决方案，但其过程涉及复杂的多电子/质子转移，且易受竞争性副反应干扰，导致氨选择性难以提升。传统贵金属催化剂虽高效但成本高昂，而铁基催化剂虽具成本优势，却常面临颗粒团聚和动力学缓慢的问题。

针对这一痛点，研究团队采用超声辅助还原法制备了a-Fe/Cu催化剂。扫描电子显微镜（SEM）和高分辨率透射电镜（HRTEM）证实，该材料具有独特的非晶/晶态界面结构。X射线光电子能谱（XPS）分析进一步揭示，在界面处发生了从铜到铁的电子转移，这种电子结构的优化显著增强了硝酸盐的吸附能力并促进了电子的高效传输。

非晶相铁中无序的原子排列和正表面电荷提供了丰富的活性位点。李海涛教授指出：“非晶铁相通过增强水活化和电子调制，促进了活性氢物种的生成与电子转移，从而优化了反应动力学。”

性能卓越：高产率与高选择性并存

在电化学测试中，该催化剂在-0.5 V（相对于可逆氢电极，RHE）下表现出惊人的催化活性。氨产率高达4.67 mol g⁻¹ h⁻¹，法拉第效率达到93.48%。原位拉曼光谱和红外光谱分析证实，非晶铁相增强了活性氢生成与氮中间体消耗之间的动态平衡，从而实现了高氨选择性。

研究团队通过原位光谱技术深入解析了反应机理，确认了硝酸盐的逐步消耗以及羟胺（NH₂OH）和铵根离子（NH₄⁺）等关键中间体的形成路径。这种对反应路径的清晰阐释，为后续催化剂的设计提供了理论依据。

此外，该催化剂在连续运行七个循环后仍保持高性能，展现出优异的稳定性。李海涛教授强调：“催化活性主要源于特定的界面结构，它促进了水的解离，这是生成活性氢的关键步骤。”

应用前景：集成锌-硝酸盐电池实现储能与产氨

为了验证其实际应用潜力，研究团队将a-Fe/Cu催化剂集成到锌-硝酸盐（Zn-NO3–）电池中。该电池在30 mA cm⁻²电流密度下，氨的法拉第效率为81.66%，峰值功率密度达到2.91 mW cm⁻²。这一结果不仅证明了催化剂在能量转换中的高效性，还展示了其在储能和氨生产方面的双重功能。

该研究得到了国家自然科学基金、江苏省特聘教授基金等多项资助。随着全球对绿色氨合成技术需求的增加，这种低成本、高效率的催化剂有望在工业废水处理与能源存储领域发挥重要作用。

中国作为全球Zui大的化肥生产国和消费国，氨合成能耗巨大且依赖化石燃料。江苏大学此项突破展示了通过电催化技术利用废水中的硝酸盐同时生产高附加值氨的可行性。对于国内环保与新能源企业而言，关注此类非晶/晶态界面材料的设计与应用，有望在“双碳”目标下开辟新的技术赛道，实现环境治理与能源转型的双赢。