图文摘要

成果简介

近日，大连理工大学环境学院刘艳彪教授团队在环境领域期刊《Environmental Science & Technology》上发表最新研究成果。该研究聚焦于水质安全与清洁能源的双重需求，提出一种“单原子铜–锌空位协同催化”策略，通过在原子尺度上精确控制金属与载体的相互作用，构筑了CuSA/V-LDH双位点结构，有效提升电催化硝酸盐还原产氨的反应活性与选择性。该技术不仅可有效去除水中硝酸盐，还能将硝酸盐转化为高附加值的氨产品，为构建“水-能源”循环经济体系提供了新的思路与技术支撑。

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氨作为现代农业与氢能经济的核心原料，年需求超1.5亿吨，但传统Haber-Bosch依赖化石燃料且吨氨碳排放高达2.8吨，严重制约碳中和进程。与此同时，农业面源与工业废水导致的水体硝酸盐污染已威胁生态安全与人体健康。如何将硝酸盐“毒水”转化为“液态黄金”氨，成为环境修复与资源回收领域的研究热点。电催化硝酸盐还原技术（NO₃RR）因其温和的反应条件和潜在的碳中和路径备受关注，但仍却面临两个难题：（1）低浓度硝酸盐环境下催化剂活性不足，（2）析氢反应（HER）竞争导致氨选择性低下。基于此，本研究通过“金属-载体协同调控”策略，在NiFe层状双氢氧化物（LDH）中引入Zn空位并锚定Cu单原子，构建CuSA/V-LDH双功能催化界面。其中，Zn空位修饰的LDH载体能够高效解离水分子生成活性氢（H*），Cu单原子位点则可定向捕获并稳定H*，显著延长其表面寿命，从而促进硝酸盐逐级氢化产氨。进一步结合穿透式反应器设计，有效强化反应过程中的对流传质效能。在硝酸盐浓度为100 mg-N/L的条件下，该催化系统实现了实现95.2%的产氨法拉第效率与2.08 mg h^-1 cm^-2的产率，较传统工艺碳足迹降低90%。

图文导读

图1. CuSA/V-LDH合成与表征

利用碱刻蚀法选择性去除Zn原子构建金属空位（V-LDH），并利用配位吸附实现Cu单原子精准锚定。XRD与XAFS分析表明，Cu单原子以Cu-O和Cu-O-M（M=Ni/Fe）配位形式存在，空位诱导的晶格畸变显著增强金属-载体相互作用，为高效催化提供稳定活性界面。

图2. 电催化NO₃RR性能测试

电化学测试结果表明，CuSA/V-LDH展现出优越的电催化性能，相较其他对照催化剂表现出最低的表观活化能（6.41 kJ mol^-1）和最高的氨产率（1.78 mg h^-1 cm^-2）。同位素标记实验证实氨产物源于硝酸盐的还原过程。此外，催化剂在15次循环测试后性能无明显衰减，体现出优异的稳定性与可重复性。

图3. 电催化NO₃RR活性物种鉴定与原位表征

EPR与SI-SECM定量分析表明，CuSA/V-LDH表面的H*浓度更高且寿命更长，表明其具有更强的H*生成与稳定能力，这有利于中间体逐级加氢。原位拉曼谱表明，CuSA/V-LDH表面清晰观察到Ni-H_ad和*NO₃、*NH₃特征峰，证实其对硝酸盐活化及后续氢化反应均有显著促进作用。

图4. 理论计算揭示反应机理

通过原位差分电化学质谱明确了硝酸盐还原的反应路径，反应过程中未检测到氮气副产物。DFT计算表明，Cu位点降低N*氢化决速步能垒，而LDH载体优先吸附水解离产H*，双位点分工实现“H*生成-利用”路径协同，从热力学与动力学层面抑制HER竞争，提升产氨效率。

图5. 传统式系统实现氨绿色回收与环境减负

构建CuSA/V-LDH@CNT膜电极并集成穿透式反应器，硝酸盐去除率达99.3%，氨产物以NH₄Cl形式回收。生命周期分析显示，相较传统浓缩-填埋工艺，该技术全球变暖潜势（GWP）降低90%，环境毒性潜势（TE）减少94%，兼具经济与环境效益。

小结

本研究通过“单原子-空位”协同调控，实现了电催化硝酸盐高效还原与氨资源回收的功能耦合，在水体脱氮与氨绿色合成之间架起桥梁。相关成果为环境-能源交叉研究领域提供了范式参考，也展示了功能缺陷调控与位点协同在多相催化中的应用前景。未来研究可进一步探索催化剂规模化制备工艺与反应器模块化设计，推动该技术在实际废水处理与分布式绿氨合成中的应用。

本研究得到了国家自然科学基金（W2412093）、上海市自然科学基金（23ZR1401300）和中央高校基本科研业务费专项资金（DUT24RC(3)079）的支持。四川大学的李盼盼研究员（SI-SECM测试）、大连理工大学的张芸教授（生命周期分析）、香港城市大学范战西教授和大连理工大学全燮教授（论文指导）对本研究提供了重要的技术支持与理论指导。