硼掺杂氧化亚铜纳米线负载氧化铈串联催化高效电还原硝酸盐合成氨研究

研究人员针对电催化硝酸盐还原(eNitRR)过程中反应中间体吸附过强和氢化动力学缓慢两大关键问题，设计开发了CeOx/B-Cu2O NWs串联催化剂。该催化剂在-0.5 V vs. RHE条件下实现2.137 mmol h-1 cm-2的氨产率和98.8%的法拉第效率，并成功构建峰值功率密度达21.91 mW cm-2的Zn-NO3电池，为废水处理与绿氨合成提供创新解决方案。

　　

随着工业文明快速发展，地表水和地下水中硝酸盐(NO₃^-)污染已成为威胁生态平衡和人类健康的重大环境问题。传统处理方法如反渗透、电渗析等存在能耗高、成本昂贵等缺陷。与此同时，作为重要工业原料的氨(NH₃)主要通过哈伯法(Haber-Bosch)生产，该工艺依赖化石燃料且产生大量CO₂排放。电催化硝酸盐还原(eNitRR)技术因其能同步实现废水净化和绿氨生产而备受关注，但现有催化剂面临中间体吸附过强、活性氢(*H)供给不足等瓶颈问题。

针对这一挑战，河北某高校研究团队创新性地设计了CeO_x/B-Cu₂O NWs串联催化剂，通过硼(B)掺杂和氧化铈(CeO_x)修饰的协同效应，成功突破eNitRR过程中的动力学限制。该研究成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，证实该催化剂在-0.5 V vs. RHE条件下可获得98.8%的法拉第效率(FE)和2.137 mmol h^-1 cm^-2的氨产率，并开发出峰值功率密度达21.91 mW cm^-2的Zn-NO₃电池系统。

研究团队主要采用电沉积法结合水热法制备催化剂，通过扫描电镜(SEM)、原位拉曼光谱等技术表征材料结构，并运用密度泛函理论(DFT)计算揭示催化机制。实验选用铜泡沫基底，经碱处理获得Cu(OH)₂纳米线，通过硼酸铵溶液处理实现B掺杂，最终负载CeO_x构建异质结构。

催化剂设计与表征
SEM显示CeO_x/B-Cu₂O NWs呈现垂直生长的纳米线结构，X射线光电子能谱(XPS)证实B成功掺入晶格。电化学测试表明，该催化剂在0.1 M PBS电解液中NH₃选择性达91.11%，显著优于单一组分催化剂。

机理研究
DFT计算揭示B掺杂通过金属-非金属相互作用增强*NO₃吸附，将速率决定步骤(NO₃→NO₂)的能垒从1.58 eV降至0.72 eV。原位表征发现Cu-O-Ce结构促进水解离，产生的H通过氢溢流效应迁移至反应界面，加速NO₂→NH₃转化。

应用验证
构建的Zn-NO₃电池展现1.182 V开路电压，连续运行25小时性能无衰减。结合空气 stripping 技术，成功回收高纯度NH₄Cl产品，实现硝酸盐废水的资源化利用。

该研究通过精准设计"吸附-氢化"双功能活性中心，首次将硼掺杂与稀土氧化物修饰策略相结合，为复杂多电子反应的催化剂设计提供新范式。所开发的串联催化体系不仅突破传统Cu基催化剂的性能极限，更通过电化学-电池系统集成创新，推动废水处理与可再生能源存储技术的协同发展。研究揭示的金属-非金属相互作用机制和氢溢流效应，为后续非贵金属催化剂设计提供了重要理论指导。