摘要：电化学硝酸盐还原反应（NO3RR）为氨合成提供了一条持续高效的途径。由于不可避免的析氢反应（HER），特别是在纯硝酸盐溶液中，在安培级电流密度下，长时间保持优异的硝酸盐还原法拉第效率仍具有挑战性。

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电化学硝酸盐还原反应（NO3RR）为氨合成提供了一条持续高效的途径。由于不可避免的析氢反应（HER），特别是在纯硝酸盐溶液中，在安培级电流密度下，长时间保持优异的硝酸盐还原法拉第效率仍具有挑战性。

2024年12月30日，上海交通大学李新昊教授在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Ampere-level reduction of pure nitrate by electron-deficient Ru with K+ ions repelling effect》的研究论文，Shi-Nan Zhang、Peng Gao为论文共同第一作者，李新昊教授为论文通讯作者。

李新昊，上海交通大学化学化工学院教授，国家优青（2017）。2003年和2009年获得吉林大学学士和博士学位，2009-2012年在德国马普所胶体界面所从事博士后研究（洪堡学者），2013年作为特别研究员加入上海交通大学，曾在德国马普协会-上海交通大学国际伙伴小组担任Group leader。

李新昊教授的研究方向为发展电子界面催化材料（EIC），着手从小分子直接合成的策略从原子、分子水平构筑活性中心及界面结构，以期实现界面电子整流对催化活性中心的效率、选择性和稳定性的全面提升，拓展电子界面催化材料在有机合成、光催化、电催化等催化重要领域的应用。

在此，作者提出了应用钌（Ru）金属的缺电子现象，通过界面水和阳离子的电场依赖性协同作用来增强反K+离子的排斥作用，从而在安培级电流密度下以高产率和良好保持的法拉第效率极大地促进硝酸盐还原反应 。

Ru金属明显的缺电子效应，增强了对水合K+离子的排斥作用，从K+离子到催化剂表面的距离可以看出，这可以疏松水层，抑制析氢并加速硝酸盐转化。

因此，负载缺电子Ru原子层的优化电极可以在6小时内直接在纯硝酸盐溶液中产生0.26 M氨溶液，提供高产率（74.8 mg mgcat–1 h–1），并在安培级还原下保持良好的法拉第效率超过120 h。

图1：2D-Ru/NC催化剂的结构表征

图2：2D-Ru/NC催化剂的电结构

图3：2D-Ru/NC催化剂的NO3RR电催化性能

图4：2D-Ru/NC催化剂上NO3RR的反应机理

图5：2D-Ru/NC电极上增强的K+离子排斥效应

图6：2D-Ru/NC电极在安培级NO3RR中的优越性

综上，作者研究了一种基于缺电子的钌金属的电化学硝酸盐还原反应（NO3RR）策略，通过增强对K+离子的排斥效应来促进硝酸盐还原为氨，实现了在安培级电流密度下高效率和高法拉第效率的氨合成。

研究成果表明，通过利用缺电子的Ru金属，可以有效地抑制HER，加速硝酸盐的转化，从而在长时间运行中保持高的氨产量和法拉第效率，对于可持续的氨合成和能源存储具有重要意义。

未来这项技术有望在大规模电催化氨合成和能源存储领域得到应用，为环保和能源转换提供了新的解决方案。

Zhang, SN., Gao, P., Liu, QY. et al. Ampere-level reduction of pure nitrate by electron-deficient Ru with K+ ions repelling effect. Nat. Commun., (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55230-w.

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