摘要：氨(NH3)作为一种多功能的工业原料，广泛用于氮基肥料、化学品、制药和聚合物的生产。工业NH3的生产依赖于高温高压(即350-450°C和150-200 bar)的Haber-Bosch工艺。这种碳密集型和高耗能的工艺消耗了世界年能源产出的约1%，并产生了全球
氨(NH3)作为一种多功能的工业原料，广泛用于氮基肥料、化学品、制药和聚合物的生产。工业NH3的生产依赖于高温高压(即350-450°C和150-200 bar)的Haber-Bosch工艺。这种碳密集型和高耗能的工艺消耗了世界年能源产出的约1%，并产生了全球1.3%的CO2排放。开发环境可持续和经济的NH3合成途径是迫切且必要的。
近年来，温和条件下的硝酸盐(NO3-)电化学还原反应(NO3-RR)生产NH3越来越受到关注。然而，NO3-RR的性能受到缓慢动力学的阻碍，以及具有多种副产物的复杂反应途径。
此外，竞争性HER也阻碍了NH3法拉第效率。因此，探索和开发一种高效的电催化剂以抑制HER过程，并使NO3-能够按预期转化为高价值的NH3具有重要意义。
近日，延安大学杨春明、付峰、山西大学杨恒权和南京林业大学荆宇等通过调节Cu2O纳米立方体电催化剂的尺寸效应，实现了Cu0/Cu+界面结构的可控构建，进而显著提升NO3-RR选择性。
结合原位电化学拉曼和XANES光谱表征结果表明，通过合理调整Cu2O前驱体的粒径，可以有效地构建具有灵活Cu0和Cu+比例的Cu/Cu2O界面结构。在Cu0-Cu+界面结构可控构建的基础上，通过电化学测量和理论计算相结合的方法，阐明了Cu+和Cu0位点在NO3-RR过程中的协同作用。结果表明，Cu0是Cu0-Cu+中的主要活性位点，Cu+有助于削弱NO3-吸附，并且提供充足的*H物种以加速NH2到NH3的加氢限速步。
基于Cu+-Cu0界面电催化剂的设计，研究人员开发了一种高效的NO3-RR//HMFOR耦合电解系统，以同时实现在工业相关电流密度下NH3和FDCA的高效生产，同时保持高法拉第效率(NH3为75.6%，FDCA为71.2%)、高产率(NH3为5.20 mmol h-1 cm-2，FDCA为0.47 mmol h-1 cm-2)和在面积为100 cm2的AEM电解槽中的长期运行稳定性(20小时)。
总的来说，该项研究提供了一种节能、环保的电催化剂的设计策略，为推进大规模工业电解合成高附加值产品铺平了道路。
Size-effect induced controllable Cu0-Cu+ sites for ampere-level nitrate electroreduction coupled with biomass upgrading. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-57097-x
杨春明，副教授，硕士生导师，博士毕业于吉林大学应用化学专业，湖南大学博士后(2020-2022，合作导师：王双印教授)，陕西省反应工程重点实验室副主任、陕西高校青年创新团队带头人（阴离子交换膜水电解制氢电堆关键材料与应用）、延安市绿色氢能与生物质催化转化重点实验室主任、延安大学新能源科学与工程学科带头人。在Matter、AM、AEM、Appl. Catal. B: Environ.、Sci. China Chem.等SCI期刊发表论文40余篇。
杨恒权，博士，山西大学化学化工学院教授，博士生导师。山西大学研究生院院长，山西大学副教务长，煤基高端化学品绿色催化合成山西省重点实验室主任，精细化学品教育部工程研究中心主任。长期从事绿色与仿生催化研究，致力于均相催化与生物催化、多相催化的交叉融合研究，解决精细化学品绿色合成关键科学与技术问题。在Nat. Catal.、Nat. Commun.、JACS、Angew.等重要期刊上发表了系列研究论文2013年获得教育部新世纪优秀人才支持，2019年获得国家杰出青年基金支持，2020年入选国家百千万人才工程入选者，并被授予突出贡献的中青年专家。
荆宇，教授、博士生导师。国家优秀青年基金获得者。分别于2011和2016年，获南开大学理学学士和理学博士学位。2012至2013年，于美国波多黎各大学访问学习一年。2016年至2018年，于德国莱比锡大学和德累斯顿工业大学从事博士后研究工作，并获得玛丽居里奖学金。主持国家自然科学基金和江苏省自然科学基金项目多项，2020年入选第十一批江苏省人才项目，2022年获批国家优秀青年基金，2023年入选江苏省团队领军人才项目。长期从事催化转化与能源利用相关理论研究，专注于通过多尺度理论计算与模拟解析不同催化反应动态过程，探索催化材料构效机制，设计新型低维功能材料。已经在Nature Mater.、JACS、Angew.、AM、Nano Lett.、ACS Catal.、Nature Comm.等国际权威期刊发表论文80余篇，共被他引5000余次。
来源：MS杨站长