2025年10月3日，威廉官网中国王春栋团队在《Advanced Materials》期刊发表题为“Embedded Fe-Cu Pairs Enable Tandem Nitrate-to-Ammonia Electroreduction”的研究论文。威廉官网中国王春栋教授、 香港城市大学王昕教授为论文通讯。
该研究聚焦于氨（NH3）的清洁生产，电催化硝酸盐还原反应是一种可持续技术，能够将环境中的硝酸盐转化为氨。本文设计了一种Fe-Cu对（Cu-N3/Fe3-N8）电催化剂，在-0.65 V vs. RHE电位下，实现了18.83 mg∙h⁻1∙mgcat⁻1的NH3产率，具有97.1%的法拉第效率。这种制备的Fe-Cu对克服了传统双金属催化剂通常依赖于直接原子耦合的局限性。由Cu–N3形成的缺电子区域增强了硝酸盐的吸附，而由Fe3–N8团簇产生的富电子区域则促进了亚硝酸盐的吸附并推动了水的活化。空间分离的电荷梯度优化了多步反应中间体的吸附能，从而建立了一种接力机制。该工作为多活性位点电催化剂的设计提供了宝贵的见解，并为应对氮资源转化中的关键挑战提供了一种有前景的途径。
图为部分实验结果
从学术与应用价值出发，本研究虽为Cu基NO3RR催化剂设计提供了结构新范式，但仍有多个方向可进一步拓展，以推动理论深化与实际应用落地：
1. 催化剂设计与优化的多样化探索：在目前的研究基础上，未来可以进一步探索不同金属组合和材料结构，以优化催化剂的电子结构和活性位点。这包括使用不同的过渡金属或合金，在催化剂中引入其他元素，以调节催化剂的表面性质与电子行为。通过计算化学和高通量筛选，可以系统地评估新材料的催化性能，并为设计出兼具高效、稳定的催化剂奠定基础。此外，研究者可以采用机器学习技术来指导催化剂设计，以快速发现和优化合适的结构和配位环境，提高NO3RR的转化效率和选择性。通过多维度的探索，不仅可以增强催化剂的性能，还可以进一步拓宽其在氮转化领域的应用范围。
2. 扩展催化剂在其他反应中的应用潜力：虽然现有研究主要集中在氨的生成上，但Cu基催化剂在其他反应中的应用潜力同样值得深入研究。未来可以探索这些催化剂在亚硝酸盐（NO2−）合成、电化学氮气（N2）还原等反应中的选择性和活性。这类反应的研究有助于丰富催化剂的应用场景，并为环境治理提供新的思路。例如，通过调节反应条件和催化剂的成分，可能实现对环境中氮污染物的高效去除，反过来又可以影响催化剂的设计理念。通过对多种反应路径的探索，可以为催化剂的多重功能性提供更加科学的理论依据和实践支持，进而促进其转化为实际应用。
3. 催化反应机制深入研究：深入研究反应机制，将进一步促进理论模型的发展，并提高催化剂的设计效率。未来可以结合更先进的表征技术，如原位电化学质谱、时间分辨光谱等，监测反应过程中中间体的变化。理解中间体的生成和转化路径，不仅可以帮助识别催化剂活性中心，还能揭示催化剂失活的机理。这方面的研究将为催化剂的改进提供关键指导。此外，通过理想的反应条件调控，还原与催化进程的动态交互关系，可以为高效催化剂的设计提供深刻见解。这将有助于不仅提高催化效率，还能提高催化剂在高温和高压反应环境下的稳定性与耐久性，进而推动该技术向实际应用的转化。
4. 催化剂的工程化应用与产业化前景：为了将实验室的研究成果转化为工业应用，未来需要重点关注催化剂的工程化和产业化问题。这包括设计符合工业生产的催化剂制备工艺、反应体系优化及大规模生产的可行性研究。在这一过程中，可以考虑现有催化剂的经济性、可再生性及环境友好性，以满足可持续发展的要求。此外，针对特定的产业需求，可能需要对催化剂的尺寸、形状和载体材料进行调整，以提高其在实际反应中的表现。通过与工业界的紧密合作，建立关键性能指标（KPI），确保催化剂不仅在实验室条件下表现良好，也能在真实的生产环境中保持高效能和稳定性。这样的跨学科协作将为Cu基催化剂的广泛应用和未来发展打下坚实基础。
此项工作是王春栋教授团队在催化方向的阶段性研究成果。团队长期从事电催化相关探索，近两年来在能源催化材料局域电子调控及反应动力学机制研究方面取得了系统研究成果（J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 29949; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 1174; Chem. Rev. 2025, 125, 3165; Adv. Mater.,2025, e14840; Adv. Mater., 2024, 2400523; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202504923; Energy Environ. Sci., 2025, 18, 7624; ACS Catal. 2025, 15,17155; ACS Catalysis, 2024, 14, 12051; ACS Nano, 2024,18,1214；ACS Nano, 2023, 17, 10906; Adv. Funct. Mater, 2024, 2408823; Adv. Funct. Mater, 2024, 2408872; Adv. Funct. Mater, 2024, 2401011; Adv. Funct. Mater., 2023, 2303986; Chem Catalysis,2023, 100840; Coord. Chem. Rev. 2025, 538, 216678; Coord. Chem. Rev., 2023, 488, 215189; Coord. Chem. Rev.,2023, 478, 214973；Sci. Bull. 2025, 70, 2215; Sci. Bull, 2022, 67, 1763; Research, 2022, 9837109）。
Embedded Fe-Cu Pairs Enable Tandem Nitrate-to-Ammonia Electroreduction. Adv. Mater. 2025, e14840.
https://doi.org/10.1002/adma.202514840
