利用可再生的电能将废水中硝酸盐转化为高附加值氨 (NO3RR)，为氮资源循环利用提供了一种绿色高效的解决方案。金属铜是较优的NO3RR催化剂，但因对氮中间产物吸附较弱且质子供应不足，导致亚氮积累和产氨速率不足。单原子铜由于其独特的配位环境和电子结构对氮中间产物有较强的吸附，加快反应速率，但是单原子在多电子/质子的反应中单个活性位点会受到数量-活性的线性关系限制，只能通过构建双原子催化剂来打破线性限制，但该催化剂合成复杂，成本较高，不能大规模推广。

近日，重庆工商大学蒋光明教授和中国工程院侯立安院士设计了一种三氧化钨支撑的单原子铜(Cu₁/WO₃)双驱动催化剂，其中三氧化钨能高效分解水提供质子，而Cu₁吸附硝酸根并将其转化为氨。此外，开发了一套含NO3RR和真空驱动膜分离装置的连续流系统，以长江水为对象高效回收自然水体中的氮资源。

利用简单的化学浸渍法将单原子铜负载在三氧化钨纳米片上，Cu₁/WO₃继承了纳米片的形貌，并且铜在三氧化钨上均匀分布。Cu₁/WO₃中铜以单原子形态存在，化合价为+1.5，其缺电子特性可以加强对氮中间产物的吸附。

通过原位光谱探究反应路线，之后通过动力学同位素实验证明氢化学键的形成或断裂在NO3RR中为速率决定步骤，理论计算证明三氧化钨具备更强的分解水和吸附氢的能力，可为铜活性位点持续提供氢源。铜的d带中心更接近费米能级，相较于单质铜其吸附氮物种的能力大幅提升。二者协同作用下，Cu₁/WO₃实现了1274.4 mg_N h^-1 g_Cu的产氨速率、99.2%的氨氮选择性和93.7%的法拉第效率，并且几乎没有亚氮残余。

同时，设计开发了全新的真空驱动膜分离装置回收产物氨，通过外加真空驱动氨快速跨膜传输，实现了798.1 mg_N m^-2 h^-1的氨分离速率，避免了浓度驱动法在低浓度下效率不足和酸腐蚀的缺陷。之后耦合NO3RR和真空驱动膜分离装置，以长江水为模型，在17.11 kwh g_N^-1的能耗下实现了98.3%氨回收率。

总之，该研究开发了一种新颖的Cu₁/WO₃双驱动催化剂成功打破了单原子催化剂在多电子/质子反应中受到的线性关系限制：三氧化钨快速分解水并提供质子，而单原子铜强化氮物种的吸附与还原，两者协同大幅提升合成氨效率。集成化的NO3RR-真空驱动膜分离装置为自然水体氮资源回收提供了可推广的技术模型。未来，这一策略有望在工业废水处理、绿色氨合成等领域发挥重要作用，推动“双碳”目标下的可持续发展。

Breaking Linear Scaling Relation Limitations on a Dual-Driven Single-Atom Copper-Tungsten Oxide Catalyst for Ammonia Synthesis

Fei Shen, Shuxian He, Xiangyi Tang, Yinan Liu, Yuying Wang, Yanjun Yin, Dr. Xiaoshu Lv, Dr. Wenyang Fu, Dr. Yan Zou, Dr. Guangming Jiang, Li'an Hou

文章的第一作者是重庆工商大学的硕士沈飞，通讯作者为重庆工商大学蒋光明教授、中国工程院侯立安院士

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202423154