在正电位下通过调控金属-载体相互作用实现高效硝酸盐电还原

将被污染的水变为有用资源

河流、湖泊和工业废水中的硝酸盐污染对生态系统和人类健康构成日益严重的威胁，但它同时也是一种被浪费的资源。那些损害水体的氮可以被还原回氨——氨是肥料、燃料和化学品的基础。本研究探索了一种新的方法，既清除含硝酸盐的污水，又更高效地用电回收氨，这有助于实现更清洁的农业、更智能的废水处理和新的能量存储形式。

为什么氮过剩是个问题

现代农业和工业高度依赖氨，主要通过耗能巨大的哈柏—博世工艺生产。在使用和处置过程中，大量氨以硝酸盐的形式进入废水，扰乱天然氮循环，并导致藻类暴发和饮用水污染等环境问题。现有的硝酸盐去除方法成本可能较高，且常常只是将问题掩埋或稀释。将硝酸盐电化学还原回氨既能净化水体又能回收氮，但目前大多数系统需要在强负电位下运行，能耗较高。

设计更聪明的催化剂表面

为了解决这一挑战，研究者设计了一种新型催化剂：超小的钌簇锚定在薄层的氢氧化钴片上。他们采用了一种简单的“自腐蚀”方法：金属泡沫在存在钌盐和氧气的条件下缓慢溶解，形成新的氢氧化物层，同时钌簇直接沉积在其上。该工艺可应用于不同金属，但团队重点考察了钴、镍和铁作为载体，以比较各自对性能的影响。显微和光谱分析证实钌簇极细且均匀分布在氢氧化物片层上，且金属与载体之间发生了电子转移，细致调控了表面对硝酸盐和水的相互作用。

在结合力与反应供给之间取得平衡

要使反应高效运行，需要两件事协调进行：硝酸盐必须足够牢固地吸附在催化剂表面以发生反应，同时界面处的水要发生分解以提供能逐步将硝酸盐转化为氨的“活性”氢原子。如果硝酸盐结合得太紧，表面会堵塞；若结合太弱，又会被流失无法反应。同样，缓慢的水分解会使反应缺乏氢。测试表明，基于钴的催化剂恰好达到这一最佳平衡。与镍和铁载体相比，它在更接近理想电位时起反应，达到了近乎100%的氨选择性，并在正工作电位下实现约50%的能量效率——对该化学过程而言这是异常低的能耗。它还在工业相关电流密度下持续保持高活性超过1200小时，并将模拟废水中的硝酸盐去除至低于饮用水限值。

探究隐藏的中间步骤

为了弄清为何钴表现最佳，团队利用光学和电化学探针对反应进行实时监测，并辅以计算机模拟。结果显示，氢氧化钴载体重塑了表面薄水层，削弱了水的氢键网络，使水分子更容易裂解成反应性片段。与此同时，氢氧化钴与钌之间的电子相互作用调整了硝酸盐及其中间体的吸附强度。计算表明，在该表面上，最难的一步——将一类亚硝基样片段转化为更富氢的物种——所需能垒远低于镍载体或铁载体版本。实际上，钴载体提供了恰到好处的平衡：硝酸盐被牢固吸附但不被困住，且水迅速供给氢，使得从硝酸盐到氨的反应序列能够顺利进行。

从废物净化到发电与塑料升级

基于这一高效催化剂，作者组装了一种可充电电池，将锌金属与在钴—钌阴极发生的硝酸盐还原配对。在放电过程中，硝酸盐被还原为氨，同时锌被氧化，释放电能。在充电时，他们用乙二醇的温和氧化替代通常的产氧反应——乙二醇是可从废塑料回收的基元分子。此举降低了充电所需的能量，并将塑料衍生分子升级为更有价值的产物，同时生成的氨可进一步形成铵盐。该混合装置在多次循环中运行稳定，展示了污染控制、资源回收和能量存储如何被整合到单一系统中。

为更清洁的化学提供新杠杆

通俗地说，这项工作表明，精细调控金属催化剂与其载体材料的相互作用，可以显著提高把水中有害硝酸盐转化为有用氨的效率。通过选择既不会过度抓牢硝酸盐也不会放任其离开的载体，并能帮助水分子裂解以供给反应所需的氢，研究者在较温和的电位下实现了高效率并维持长期性能。同样的设计原则——谨慎调整金属-载体相互作用——可为未来许多其他可持续化学过程的催化剂开发提供指导。

引用: Tang, Y., Wan, Y., Yan, W. et al. Modulated metal-support interactions for efficient nitrate electroreduction at positive potentials. Nat Commun 17, 3006 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69802-5

关键词: 硝酸盐污染, 氨气生产, 电催化, 废水处理, 能量存储