硝酸根普遍存在于工业和农业废水中，对自然环境和人类健康产生严重危害。近年来，研究人员致力于开发绿色低碳的方法将硝酸根转化为氨，以实现“变废为宝”。其中，电化学催化方法已经达到接近100%的法拉第效率，是一种能替代传统Haber-Bosch法制氨的方法，具有较好的发展前景。然而，大部分研究集中在中性和碱性介质中进行硝酸根还原，原因在于电化学催化剂通常在酸性条件下稳定性较差，且酸性条件下析氢副反应会显著增强。上述关键问题限制了电催化硝酸根还原法在矿业、冶金或纤维等酸性工业废水处理中的直接应用。
铜基催化剂具有与硝酸根LUMO π*轨道能级相匹配的高占据且未闭合d轨道，利于电子向吸附的硝酸根传递，促进还原反应。同时，对析氢反应来说，铜基催化剂有较高过电势，进而为硝酸根还原提供较宽的反应电势窗口。目前，已有研究将高原子利用率的单原子铜基催化剂应用于硝酸根还原反应；然而，酸性条件下，此类催化剂金属活性中心易流失。因此，如何实现对铜基催化剂的精准调控，并保持其在酸性介质中的稳定性，是该领域面临的关键问题。
近日，我校纳米科学与工程研究院杨文胜教授/田志红教授研究团队开发了一种利用碳氧化物载体调控铜基团簇价态的新方法，通过对单原子铜配位的红碳前驱体进行可控热处理，促进斐林反应发生，诱导不同价态铜基团簇在碳氧化物载体上进行可控负载。其中，所负载的Cu2O团簇不仅表现出优异的催化性能，而且在碳氧化物载体的保护下具有高稳定性，使其可应用于酸性电催化硝酸根还原制氨反应，在最佳电位下达到92.5%的法拉第效率和3.31 mmol h-1mgcat-1的氨产率，为碳氧化物载体负载金属团簇在电催化领域的研究和应用提供了实践基础和理论指导（图1）。相关研究成果以《Red Carbon Mediated Formation of Cu2O Clusters Dispersed on the Oxocarbon Framework by Fehling’s Route and their Use for the Nitrate Electroreduction in Acidic Conditions》为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials杂志上。纳米科学与工程研究院博士后巴静雯和北京高压科学研究中心董洪亮博士为共同第一作者，纳米科学与工程研究院杨文胜教授和田志红教授为共同通讯作者。
图1.碳氧化物热分解诱导金属团簇制备示意图
通讯作者简介：
杨文胜，国家杰出青年基金获得者，河南大学“杰出人才特区支持计划”第二层次特聘教授，博士生导师。主要研究方向为胶体与界面化学、二氧化硅复合材料设计及宏量制备。发表学术论文260余篇，他引9000余次，授权发明专利43项。主持国家重点研发专项、国家高技术发展计划（863）、科技部中小企业创新基金、国家自然科学基金等多个项目。
田志红，河南大学黄河学者，教授，博士生导师。主要研究方向为多孔聚合物材料、碳基杂化材料、电化学储能和催化。发表SCI论文40余篇，其中在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等期刊发表SCI论文19篇，授权国家发明专利3项。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目，河南省留学人员科研择优资助项目、国家公派留学基金等项目，作为中方负责人与德国马普胶体与界面研究所所长Markus Antonietti教授建立了“河南省共价有机聚合物杰出外籍科学家工作室”科研平台。
本工作得到了国家自然科学基金委、河南大学校内基金和德国马克斯-普朗克学会等单位的大力支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202400396
