由可再生電能驅動的電化學硝酸鹽還原(NO₃RR)反應可以在溫和條件下生產綠色的氨(NH₃)，這為解決地下水硝酸鹽污染和實現全球氮平衡提供了一條可持續的途徑。然而，大多數研究集中在高硝酸鹽濃度和理論條件下的性能，為了實現NO₃RR的實際應用，應該提高NO₃^?-NH₃系統在不同硝酸鹽濃度的性能，特別是在低硝酸鹽濃度的條件下。值得注意的是，在低硝酸鹽濃度下，劇烈的析氫反應(HER)限制了NH₃的高選擇性和產量。同時，在典型的硝酸鹽濃度下，活性*H的供應不足可能會限制體系達到工業水平電流。因此，同時解決低濃度下強烈的HER和典型硝酸鹽濃度下活性*H供應不足的問題，對于NO₃RR的實際應用具有重要意義。

近日，中國科學技術大學章根強課題組通過原位電化學還原法制備的富缺陷銅納米線陣列電極(V-Cu NAE)，并研究了其在電化學NO₃RR反應中的性能。原位光譜表征和理論計算表明，V-Cu NAE催化劑中的缺陷位點具有三重協同調節作用：增強NO₃^?的吸附、促進水解離和抑制HER反應，因此該催化劑表現出較快的反應動力學、較高的NH₃選擇性和優異的反應穩定性。

具體而言，V-Cu NAE催化劑在1-100 mM的硝酸鹽濃度范圍內可以達到50-1100 mA cm^-2的電流密度，NH₃的法拉第效率超過90%，并能夠有效地降低溶液中硝酸鹽水平，達到飲用水標準。此外，研究人員利用該電極組裝出NO₃RR耦合甘油氧化反應(GOR)的系統，其在?1.4 V電壓下，電流密度為550 mA cm^-2，NH₃選擇性為99.9%，硝酸鹽轉化率為99.9%，并表現出100 h的優異穩定性，顯示出良好的工業應用潛力。

總的來說，該項工作強調了催化劑中Cu空位在提高NO₃RR性能中所起到的重要作用，為設計和開發用以處理工業中復雜和多樣的含硝酸鹽廢水的催化劑提供了思路。

Defect-induced triple synergistic modulation in copper for superior electrochemical ammonia production across broad nitrate concentrations. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-47025-w