第一作者：陈志鹏教授

通讯作者：刘明凯教授、曾杰教授

通讯单位：安徽工业大学 

氨（NH₃）是一种重要的化工原料和潜在的氢能载体，其绿色合成技术对实现碳中和目标具有战略意义。目前，氨的工业生产主要依赖高能耗、高碳排放的Haber-Bosch工艺。在常温常压条件下，利用可再生电力驱动硝酸盐电催化还原合成氨技术（NO₃RR），既能实现氨的绿色合成，又能缓解硝酸盐对水体造成的污染，有望成为一种绿色、可持续的合成氨替代方案。然而，NO₃RR涉及复杂的多电子转移和中间体的加氢和脱氧反应过程，其催化性能依赖于催化剂对硝酸根（NO₃^-）的吸附和质子化过程的调控。硝酸根质子化过程中的活性氢（*H）来源于催化剂对电解液中水的分解。因此，合理地设计催化剂结构，优化催化剂对硝酸根和活性氢的吸附，成为提高NO₃RR活性的关键。

本研究设计了一种Cu₁/ZnO单原子合金氧化物（SAAO）催化剂。该催化剂体系中，原子级分散的Cu位点增强了对吸附态硝酸根（*NO₃）的吸附能力，并且Cu位点协同ZnO载体中Zn位点促进了水解离生成活性氢（*H）并且抑制了*H脱附生成H₂析出，从而为*NO₃的加氢过程提供了充足的质子源，降低了反应速控步（*NO加氢生成*NHO）的能垒，最终实现了安培级电流密度（2.23 A cm^-2）、高选择性（96.1%）、高产率（184.7 mg h^-1 cm^-2）电合成氨。

本文亮点：（1）原位红外光谱证实了*NO→*NHO合成氨反应路径。反应动力学和DFT研究揭示了原子级分散的Cu位点和ZnO载体在调控*NO₃和活性氢*H中间体吸附方面的协同作用。（2）Cu₁/ZnO催化剂表现出优异的NO₃RR性能，在H型电解池中，电催化硝酸盐还原合成氨的法拉第效率达到了96.8%，并且可以在-0.4~-1.0 V的宽电位区间内保持85%以上的合成氨法拉第效率。在流动电解池中，合成氨的活性电流密度达到了2.23 A cm^-2，产率达到了184.7 mg h^-1 cm^-2，优于大部分过渡金属催化剂。（3）Cu₁/ZnO催化剂具有良好的可充电Zn-NO₃^-电池应用潜力。以Cu₁/ZnO催化剂为阴极组装的Zn-NO₃^-电池可以稳定的输出1.51 V的电压和5.5 mW cm^-2的峰值功率密度。

图1. Cu₁/ZnO催化剂合成过程示意图及形貌结构表征

通过简单的共沉淀和高温热解两步法制备了Cu₁/ZnO单原子合金氧化物催化剂。球差矫正扫描透射电镜、XAFS、EELS等表征结果证明了Cu原子以单原子分散形式分布在ZnO的晶格之中。

图2. NO₃RR活性及催化稳定性

活性评价结果表明，Cu₁/ZnO催化剂具有优异的NO₃RR活性和稳定性。通过优化反应条件和反应器结构，实现了>95%的合成氨法拉第效率、2.23 A cm^-2的合成氨活性电流密度以及184.7 mg h^-1 cm^-2的氨产率。相较于未引入Cu单原子的ZnO催化剂，合成氨的产率提升了2.7倍。Cu₁/ZnO在连续15 h电解过程中和10次循环实验中均可以保持活性的稳定。

图3. 可充电Zn-NO₃^-电池性能

以Cu₁/ZnO催化剂为阴极组装的可充电Zn-NO₃^-电池具有优异的性能，可以稳定的输出1.51 V开路电压和高达5.5 mW cm^-2的峰值功率密度。

图4. 原位红外光谱和DFT计算分析

原位红外光谱揭示了Cu₁/ZnO催化剂电催化硝酸盐还原合成氨的主要反应路径。DFT计算从反应中间体吸附强度调控角度阐明了单原子分散的Cu位点协同ZnO载体增强NO₃RR活性的机理。

总结与展望

本研究通过简单的共沉淀和高温热解工艺成功制备了Cu₁/ZnO单原子合金氧化物催化剂。Cu₁/ZnO催化剂在流动反应器中实现了高达2.2 A cm^-2的合成氨活性电流密度和184.7 mg h^-1 cm^-2的合成氨产率。以Cu₁/ZnO催化剂为阴极组装的可充电Zn-NO₃^-电池实现了1.51 V输出电压和5.5 mW cm^-2的峰值功率密度。结合原位红外光谱、吸附动力学实验、DFT计算等手段研究了硝酸根中间体吸附和活性氢保留对NO₃RR活性的影响机制。本研究揭示了调控硝酸根及活性氢中间体吸附对提升NO₃RR性能的重要性，为精准设计高活性的单原子合金氧化物催化剂提供了新见解。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Isolated Copper Atoms Boost *NO₃ Adsorption and Active Hydrogen Retention over Zinc Oxide for Ammonia Electrosynthesis at Ampere-Level Current Densities

Zhipeng Chen, Yusi Zhao, Haoran Huang, Gen Liu, Hongna Zhang, Yan Yan, Hongliang Li, Licheng Liu, Mingkai Liu*, Dingsheng Wang, Jie Zeng*

J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c01863

研究团队简介

多相催化团队介绍：团队围绕多相催化的关键科学问题，开展绿色化学工艺的开发及工程化研究。团队现有教授3人、副教授5人，其中国家杰出青年科学基金获得者1人、安徽省杰青2人、安徽省优青1人。在曾杰教授的带领下，团队主持承担科技部重点研发计划、政府间国际科技创新合作重点专项、基金委原创探索计划项目、基金委重点项目等多项国家级重大项目。通过与安徽华骐环保科技股份有限公司共建联合实验室，推进产学研深度融合，加速科技成果产业化进程。团队已经建成了国际先进的催化研究平台，包括催化剂性能评价系统（如固定床、浆态床、电解测试平台、等离子体催化反应器等）和分析测试系统（如原位DRIFTS、TPD-MS、同步热分析-质谱联用系统、全自动物理吸附仪等）。团队深度参与上海光源（SSRF）、合肥同步辐射光源（HLS）等国家大科学装置建设，自主搭建多套原位XAFS/XPS测试平台。团队拥有独立计算模拟中心，并接入校级高性能计算集群，配备VASP、Gaussian等专业计算软件。

团队负责人介绍：曾杰，安徽工业大学党委副书记、校长，中国科学技术大学讲席教授。1998年进入中国科学技术大学学习，2002年获应用化学学士学位，2008年获凝聚态物理博士学位，师从侯建国院士。2008年赴美，在美国圣路易斯华盛顿大学夏幼南教授研究团队工作。2012年，回到中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心任教授。2022年9月，受聘中国科学技术大学讲席教授，同年11月起任安徽工业大学党委常委、副校长。2025年1月，任安徽工业大学党委副书记、校长。入选国家杰出青年科学基金、国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才、英国皇家化学会会士（FRSC），担任国家重点研发计划首席科学家。研究领域为二氧化碳催化转化技术。迄今为止，已在《自然》、《自然·纳米技术》、《自然·催化》、《自然·能源》、《自然·合成》、《自然·可持续性》等高影响力学术期刊发表了278篇论文，SCI总被引用29000余次，H因子为90，入选2019至2024年的全球高被引科学家名录。申请中美专利共98项，出版书籍5部。荣获发展中国家科学院化学奖、中国青年科技奖“特别奖”、科学探索奖、青山科技奖、Falling Walls 科学突破奖、英国国际发明展年度国际发明“钻石奖”、中国科技产业化促进会科学技术一等奖、中国化学会-赢创化学创新奖、侯德榜化工科学技术青年奖、中国新锐科技人物、安徽省自然科学奖一等奖、安徽青年五四奖章等奖项。研究成果入选国家“十三五”科技创新成就展、2022年中国十大科技进展新闻。

团队诚聘博士后和特任副研究员：

招聘条件：1、在多相催化领域有丰富的研究经验。2、年龄≤35周岁，身心健康。3、申报特任副研究员岗位的，原则上需要有博士后研究经历。

岗位待遇：1、年薪面议。2、辅导申请国家科技项目，畅通留校任教通道。

联系方式：请申请人将申请材料发送到以下邮箱：zengj@ustc.edu.cn。邮件以“应聘-姓名-毕业院校”命名。本课题组承诺对所有应聘者材料给予保密。课题组网站：https://catalysis.ustc.edu.cn/。我们诚邀具有催化化学、化学工程、材料科学等背景的青年才俊加盟，共同攻克能源催化转化领域的"卡脖子"技术难题！