將NO3-轉化為無害氮(N2)或高附加值產(chǎn)品(NH3)是減輕環(huán)境NO3-污染的可行策略。傳統(tǒng)的工業(yè)NH3生產(chǎn)主要依賴于Haber-Bosch (H-B)方法，但該方法需要化石燃料衍生的H2，以及高溫(400-600 °C)和高壓(200-350 atm)的苛刻反應條件。由于NO3-具有良好的水溶性和較低的N-O鍵解離能(204 kJ mol-1)，電催化NO3-還原為NH3 (eNRA)已受到廣泛關注，被認為是H-B工藝的可持續(xù)替代方案。

此外，eNRA可以與等離子體/光催化誘導的N2氧化技術耦合，實現(xiàn)低能耗空氣直接轉化為NO3-。然而，eNRA是一個極其復雜的過程，涉及8個電子轉移過程、多個可能的反應中間體、多種反應途徑和競爭反應。因此，迫切需要開發(fā)低成本和高性能的電催化劑，以滿足eNRA的工業(yè)需求。

近日，湖南師范大學楊靜、黃煒和香港理工大學鄭廣平等通過改進的自發(fā)凝膠合成工藝，將CuCo繼電位點整合到骨架直徑為10 nm的相互連接的多孔氣凝膠網(wǎng)絡中，以實現(xiàn)高效、長期的多站點協(xié)同繼電催化。

實驗結果表明，在1.0 M KOH和1000 ppm KNO3-N (≈0.07 M)電解質中，優(yōu)化的Cu50Co50氣凝膠在低過電位(-0.2 VRHE)下表現(xiàn)出超高的NH3產(chǎn)率，為3.3±0.27 mmol h-1 cm-2 (2110±173 mmol h-1 gcat-1)，且NH3法拉第效率達到100%，高于文獻報道的大多數(shù)非貴金屬催化劑。

此外，在工業(yè)級電流密度下(200 mA cm-2)，Cu50Co50氣凝膠可以連續(xù)運行約100小時(NH3法拉第效率大于85%)，表現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。

原位光譜表征和理論計算結果顯示，Cu位點對NO2-的吸附能力較弱，形成活性氫的能力較差，因此產(chǎn)生的NO2-無法及時被還原，且容易從Cu表面解吸，導致NO2-在電解質中積累；而在引入Co位點后，實現(xiàn)了高效eNRA的繼電催化：1.氣凝膠高度多孔的結構能夠充分暴露活性位點，提供優(yōu)異的自支撐性；2.Co位點可以顯著增強NO3-和NO2-的吸附，促進NO3-的脫氧，避免NO2-從電催化劑表面釋放；3.含Co表面對*H的吸附增強，抑制*H的偶聯(lián)，這可以促進*NOx中間體的加氫；4.相互連接的三維CuCo位點可以加速eNRA的動力學。

綜上，這種連續(xù)繼電器位點構建策略顯著提升了NO3-還原為NH3的活性，為開發(fā)先進的高效繼電器催化劑開辟了新途徑。

High-performance CuCo aerogel electrocatalyst for relay electroreduction of nitrate to ammonia.Advanced Functional Materials, 2025. DOI: 10.1002/adfm.202507903

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