近日从中国科学技术大学获悉，该校曾杰教授和耿志刚教授研究团队针对硝酸盐电还原合成氨反应，设计了一种串联催化剂，通过耦合铜单原子催化剂与四氧化三钴纳米片，调控硝酸盐电还原过程中中间体的吸附能，从而促进硝酸盐电还原合成氨过程。相关成果日前发表在《自然-通讯》上。
将废水中的硝酸盐通过电催化还原到氨，不仅是一种废水处理的有效方式，也是一种可持续合成氨极具前景的方法。然而，硝酸盐电还原过程中涉及多种含氮中间体的吸附和转化，吸附构型的多样性使单一催化剂难以同时满足对于中间体的优化吸附。目前广泛报道的铜基催化剂虽然有利于硝酸盐的吸附，但铜基催化剂面临的关键问题之一，在于亚硝酸盐的过度积累容易导致催化剂的失活，也不利于后续加氢步骤的进行，限制了产氨率的进一步提高。
研究人员将氧化钴纳米片均匀负载于铜单原子催化剂表面，随后的电化学测试结果表明，在硝酸盐电还原反应中的产氨速率，相比于单独的铜单原子催化剂和氧化钴纳米片分别提高了2.2倍和3.6倍。结合电化学原位拉曼和理论计算，铜单原子位点促进了硝酸盐到亚硝酸盐的转化，而邻近的氧化钴可增强对亚硝酸盐的吸附，从而促进了硝酸盐和亚硝酸盐的顺序电还原，极大地提高了产氨速率。