Research progress in electrocatalytic reduction of nitrate to ammonia by copper-based materials

硝酸盐是地下水中最有害的污染物之一，会严重影响人类健康，亟需发展有效的去除措施。传统的处理方法既耗能又不经济，且去除效果不理想，而氨肥料作为重要的资源也亟待采取既环保又经济的制备策略。电催化硝酸根还原法（NO3RR）既能去除NO3−污染，实现固氮的同时生成得到高附加值氨（NH3），因而受到了广泛的关注。NO3RR能够获得较高的NH3产率和法拉第效率（FE〖"NH" 〗_"3" ），同时避免竞争性氢析出反应（HER），并且无需克服强的N≡N三键（941 kJ mol-1）。铜（Cu）基材料价格低廉、储量丰富，并且具有优异的催化性能和较弱的HER活性等优势，其在NO3RR中展现出特殊活性，但离实际应用还有一定距离，因此，亟需通过改性策略优化Cu基材料，从而提高催化剂的性能。在这篇综述中，我们概述了Cu基材料电催化NO3RR转化的最新进展，重点讨论了各种Cu基材料在设计、合成和性能优化方面的研究，如晶面工程、合金与掺杂、异质结构、空位工程和单原子结构等不同的材料设计和调控手段，阐明了使催化剂具有更优越的反应活性、选择性、FE〖"NH" 〗_"3" 和稳定性的设计、合成和调控思路。最后，我们还简要讨论了该领域的发展方向和挑战，并展望了NO3RR的工业应用发展。