电催化硝酸盐还原反应(NO3−RR)是一种在环境条件下生产氨(NH3)的可持续途径。从农业的角度来看，电催化NO3−RR产生的NH3经过酸浓缩处理，获得有价值的含氮肥料，实现了废物利用。
然而，从环境的角度来看，电催化NO3−RR直接产生的NH3是造成水资源富营养化的关键物质之一，如果不及时处理，将继续破坏生态系统的氮循环。此外，二次处理还会增加NO3−的去除成本。因此，将NO3−还原为N2对环境保护具有重要意义。考虑到NO3−RR生成N2的电催化过程的复杂性，应设计具有多活性中心的电催化剂以合理地调节催化反应的途径和中间体的吸附。近日，东华大学杨建平和上海师范大学张蝶青等结合限制工程和合金化策略来调整Fe基电催化剂的电子性能，有效增强了电催化剂的NO3−RR催化活性。具体而言，研究人员设计并制备了一系列FexCoy-NPCNFs催化剂，其中FeCo合金纳米粒子限制在N掺杂碳纳米纤维中；同时，在电解质中引入NaCl以电解产生ClO−物种来将NH3氧化为N2。性能测试结果显示，在−1.3 VSCE电位下，最优的FeCo-NPCNF的NO3−转化率为78.75%，N2选择性为85%，并且在经过60个循环后NO3−转化率为78.5%，表明该催化剂具有优异的活性和稳定性。原位电化学DEMS和密度泛函理论(DFT)计算表明，FeCo-NPCNs通过耦合Fe和Co的催化功能(将NO3−还原为NO2−和NO2−还原为NH3)，进一步通过化学过程获得N2，从而实现中继催化过程，获得高NO3−RR活性。与Fe-NPCNF相比，Co的引入调节了Fe的电子结构，优化了其d带中心，使中间体具有中等的吸附强度。此外，Co中心强大的活性供氢能力促进*N加氢生成*NH3，然后用ClO−将其氧化为N2，有效提高了NO3−RR反应效率。总的来说，该项工作为提高双金属甚至多金属催化剂的NO3−RR活性和选择性提供了一种新的、可行的反应途径，并可进一步推广到其它多电子-质子耦合的电化学反应。Relay catalysis of Fe and Co with multi-active sites for specialized division of labor in electrocatalytic nitrate reduction reaction. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202403838
