电解质工程辅助CO2 吸收强化硝酸盐电催化还原制备碳酸氢铵的研究

针对硝酸盐电催化还原制氨（ERNA）反应动力学缓慢、选择性低的难题，研究人员通过CO2 吸收（CO2 (abs)）的电解质工程策略，显著提升CoO/Cu电极的选择性（+65%）和法拉第效率（+76%），并实现煤化工废水中NH4 HCO3 的高效合成（23.4 mg cm-2 h-1 ，能耗降低40%），为氮碳资源回收提供可持续解决方案。

　　

硝酸盐污染已成为威胁水环境安全的全球性问题，而传统氨合成依赖高能耗的Haber-Bosch工艺，亟需绿色替代技术。电催化硝酸盐还原制氨（ERNA）虽能同步解决污染治理与清洁能源生产，却受限于反应动力学缓慢、质子供应不足导致的低选择性，以及氢演化反应（HER）的竞争性干扰。更棘手的是，常规磷酸盐缓冲液（PBS）虽可调节pH但成本高昂（1200美元/吨），严重制约工业化应用。

针对这一挑战，天津某研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表研究，创新性提出通过CO₂
吸收（CO₂
(abs)）的电解质工程策略，利用工业废气中的CO₂
调控反应微环境，显著提升ERNA性能。研究采用原位傅里叶变换红外光谱（in-situ FTIR）、微分电化学质谱（DEMS）和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了CO₂
(abs)通过双重机制发挥作用：一是中和电极表面OH^-
生成HCO₃
^-
/CO₃
^2-
，促进水解离释放H⁺
（Eq. 4）；二是通过分子间作用力增强中间体吸附，抑制HER副反应。

关键技术方法
研究以Cu泡沫/CoO为阴极（通过电沉积-煅烧法制备），结合CO₂
(abs)系统处理模拟煤化工废水。采用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征材料结构，通过线性扫描伏安法（LSV）和计时电流法评估电化学性能，并利用离子色谱和靛酚蓝法量化产物。

研究结果

1. CO₂
   (abs)辅助ERNA系统性能
   Cu泡沫/CoO电极在CO₂
   (abs)条件下，NH₄
   HCO₃
   产率达23.4 mg cm^-2
   h^-1
   ，能耗仅19.3 kWh kg^-1
   ，较传统方法降低40%。DFT计算证实CO₂
   (abs)使NO₃
   ^-
   吸附能降低0.27 eV，电子转移效率提升。

2. 普适性验证
   该策略在Cu泡沫、Cu泡沫/Co₃
   O₄
   和Fe板电极上均表现优异，法拉第效率（FE）最高提升76%，表明其独立于催化剂设计的通用性。

3. 实际废水处理应用
   在3000 mg L^-1
   硝酸盐的煤化工废水中，系统稳定运行50小时无活性衰减，NH₄
   HCO₃
   纯度达98.6%，兼具环境与经济效益。

结论与意义
该研究开创了“废物-资源”转化新范式：通过CO₂
(abs)的电解质工程，同步实现硝酸盐污染修复（氮回收）和CO₂
资源化（碳固定）。其重要意义在于：① 突破ERNA选择性瓶颈，无需昂贵PBS；② 为工业废气/废水协同治理提供技术模板；③ 产物NH₄
HCO₃
作为高附加值化肥，推动循环经济发展。这项工作为电催化技术在环境-能源交叉领域的应用树立了新标杆。