镍氧化物与低价铜协同催化高效电化学硝酸盐还原制氨研究

针对地下水硝酸盐(NO3?)污染治理难题，研究人员创新开发了镍氧化物负载低价铜(Cu@NiO/NF)电催化剂。该材料在-0.45 V vs. RHE条件下实现95.7%的氨法拉第效率(FENH3)和0.85 mg h?1 cm?2的产率，通过稳定Cuδ+促进氢自由基(H•)生成，为氮循环修复提供新策略。

　　

随着化学肥料的过度使用，地下水硝酸盐(NO₃^?)污染已成为全球性环境危机。世界卫生组织设定的饮用水硝酸盐安全限值(10 mg/L)在部分地区被严重超标，某些区域浓度甚至高达776 mg/L。这种污染不仅导致婴儿高铁血红蛋白血症等疾病，更与癌症发生密切相关。传统治理方法难以实现氮元素的资源化回收，而电催化硝酸盐还原制氨(NITRR)技术既能净化水质，又能将有害硝酸盐转化为可回收的氨(NH₃)，可谓一箭双雕。然而该技术面临催化剂易失活、副反应多等挑战，特别是铜基催化剂虽成本低廉但存在中间产物吸附过强、水解离能力弱等缺陷。

针对这一系列科学难题，国内研究团队通过创新性的材料设计，将铜(Cu)与镍氧化物(NiO)复合，开发出具有低价铜活性位点(Cu^δ+)的Cu@NiO/NF电极材料。该研究发表在《Journal of the Indian Chemical Society》，展示了电催化材料设计的重要突破。

研究人员主要采用X射线衍射(XRD)进行物相分析，结合电化学沉积技术制备复合材料，通过密度泛函理论(DFT)计算阐明反应机制，并建立连续电解体系评估催化稳定性。实验设计包含系统的对照研究，以明确NiO对Cu价态的调控作用。

结果与讨论部分揭示：1）材料表征证实Cu@NiO/NF中成功构建了Cu-NiO异质结构，低价铜(Cu^δ+)的存在通过X射线光电子能谱(XPS)得到验证；2）电化学测试显示，在-0.45 V vs. RHE的低过电位下，氨选择性达95.7%，远超多数报道的铜基催化剂；3）机理研究表明NiO的引入不仅稳定了Cu^δ+，还加速电子转移并促进氢自由基(H•)生成，这是实现高效NITRR的关键；4）连续运行100小时仍保持稳定性能，解决了传统铜催化剂易失活的问题。

这项研究的创新价值在于：首次通过Cu-NiO协同作用实现了低价铜的稳定构筑，为设计高效NITRR催化剂提供了新思路。其0.85 mg h^?1 cm^?2的氨产率与95.7%的法拉第效率(FE_NH3)，在同类研究中处于领先水平。更重要的是，该工作将环境治理与资源回收有机结合——既能净化硝酸盐污染水体，又能将氮元素以氨的形式回收利用，对实现"双碳"目标下的氮循环平衡具有重要实践意义。Fengjiao Quan团队的研究成果，为发展绿色可持续的环境催化技术树立了典范。