固-液界面反应物富集策略实现近100%硝酸盐到氨的高效电化学转化

研究人员针对低浓度硝酸盐(NO3-)电还原制氨(NH3)过程中因阴极电荷排斥导致的传质限制问题，通过p型Ag掺杂MoS2催化剂（Ag-MoS2）的能带工程构建固-液(S-L)结，使内亥姆霍兹平面(IHP)区域NO3-浓度提升27.6倍，在10 mM低浓度下实现20 mg h-1 cm-2的NH3产率及近100%法拉第效率，为废水处理与绿色氨合成提供新策略。

　　

研究背景与意义
氨(NH₃)作为农业肥料和氢能载体，全球年需求量超1.8亿吨，但传统Haber-Bosch工艺需高温高压且产生1.4%全球CO₂排放。电化学硝酸盐还原反应(NO₃RR)因N=O键能(204 kJ mol^-1)远低于N≡N键(941 kJ mol^-1)，成为更具潜力的绿色合成路径。然而，低浓度NO₃^-(<10 mM)电解时，阴极表面电子富集会排斥负电性NO₃^-脱离反应界面(IHP)，导致NH₃产率骤降至5 mg h^-1 cm^-2以下，严重制约实际应用。

研究设计与方法
中南大学联合德国慕尼黑大学团队在《Nature Communications》发表研究，通过水热法合成Ag掺杂MoS₂纳米花催化剂，结合同步辐射XAFS、原位拉曼光谱、交流伏安法(ACV)等技术，证实Ag-S配位诱导p型半导体特性，利用Mott-Schottky测试量化能带弯曲程度，并通过有限元模拟和同位素标记实验验证NO₃^-富集机制。

主要结果

1. 催化剂设计与表征
   Ag-MoS₂通过Ag-S键形成(图2d)，UPS显示其功函数(5.47 eV)较MoS₂(4.98 eV)显著提升，Mott-Schottky测试证实费米能级下移1.07 V vs RHE，产生0.76 V的E_F-E_redox电势差驱动空穴转移至IHP(图3a)。

2的EDX元素分布与XRD图谱'>

1. 界面电荷重排机制
   ACV测试显示Ag-MoS₂的零电荷电位(PZC)负移至0.57 V vs RHE(图3b)，表面电容(9.5 μC cm^-2)仅为MoS₂的1/3，证实IHP区正电荷富集。原位拉曼显示其在-0.6 V时NO₃^-特征峰(1046 cm^-1)强度提升28.6倍(图3d)。

3^-富集效应'>

1. 催化性能突破
   在10 mM NO₃^-电解液中，Ag-MoS₂于-0.6 V vs RHE实现99.7% NH₃法拉第效率，100 mM初始浓度下3小时即可将NO₃^-降至0.54 mM(图5e)，耦合空气剥离获得97.1%高纯度NH₄Cl产物。

结论与展望
该研究首次通过能带工程调控固-液界面电荷分布，突破电催化中阴离子传质限制，为AsO₄^3-、Cr₂O₇^2-等污染物处理提供普适性策略。未来可通过拓展p型半导体材料体系，推动分布式氨合成与水资源修复的产业化应用。