铜基材料电催化硝酸根还原合成氨的研究进展

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。