高指数晶面Cu₂O用于节能氨电合成与Zn-NO₂⁻电池

【文章信息】

高指数晶面氧化亚铜的合理设计：耦合HzOR实现超低能耗合成氨与Zn-NO₂⁻电池应用

第一作者：葛紫欣

通讯作者：金明尚*

单位：西安交通大学

【研究背景】

氨是现代社会不可或缺的化工原料，也是理想的碳中和能源载体。然而，其工业合成高度依赖高能耗、高排放的Haber-Bosch工艺。电催化合成氨，尤其是利用废水中的亚硝酸盐污染物（NO₂⁻）作为氮源，既能修复环境，又能实现氨的可持续生产，可谓“一箭双雕”。然而，NO₂⁻-RR涉及复杂的6电子7质子转移过程，且易与析氢反应（HER）竞争。因此，设计高效的电催化剂来精准调控这一反应路径，是实现高价值氨生产的关键。

【文章简介】

近日，来自西安交通大学的金明尚教授团队在国际知名期刊 Applied Catalysis B: Environment and Energy 上发表题为“Rational design of high-index facet Cu₂O: Toward energy-efficient NH₃ electrosynthesis via HzOR coupling and advanced Zn-NO₂⁻ battery”的研究论文。该研究通过一种巧妙的原位电化学重构策略，成功制备了富含高指数晶面的氧化亚铜纳米结构（Cu₂O NSs）。这种独特的结构为亚硝酸根转化为氨的反应提供了大量高活性的催化位点，实现了高达96.2%的法拉第效率和5.02 mg h⁻¹ mg_cat⁻¹的产氨速率。研究团队进一步将该催化剂与水合肼氧化反应（HzOR）耦合，构建了可在0.19 V超低电压下同时产氨和净化废水的电解池。此外，基于该催化剂的锌-亚硝酸盐（Zn-NO₂⁻）电池也展现出优异的性能，实现了“变废为宝”的能源输出和氨生产双功能。

【本文要点】

要点一：催化剂设计——巧施“电化学魔法”，构筑高活性“原子台阶”

传统方法倾向于合成表面能低的稳定晶面，导致活性位点不足。本研究采用动力学控制的原位电化学重构策略。以预合成的CuS纳米片为前驱体，通过线性扫描伏安法将其转化为目标Cu₂O纳米结构。这一“电化学魔法”打破了热力学的限制，成功地在Cu₂O表面制造了高密度的高指数晶面，如(211)、(311)、(511)等（图1）。这些晶面如同微观世界的“陡峭悬崖”，富含大量配位不饱和的台阶原子，它们像一只只“抓手”，能更牢固地抓住反应中间体，从而显著提升催化活性。

图1. Cu₂O NSs的合成与结构表征

要点二：性能验证——亚硝酸根变废为宝，产氨效率高达96.2%

在碱性条件下，富含高指数晶面的Cu₂O NSs展现出卓越的亚硝酸盐还原性能，如图2所示：

高活性与选择性：在−0.4 V（vs. RHE）电位下，其氨产率高达5.02 mg h⁻¹ mg_cat⁻¹，法拉第效率接近完美，达到96.2%，远超普通低指数晶面的Cu₂O纳米立方体。

可靠性与稳定性：通过同位素标记实验（¹⁵NO₂⁻）和严格的对照实验，证实了氨产物完全来源于亚硝酸盐的电还原。催化剂在长达20小时的连续电解和10次循环测试后，性能几乎没有衰减，表现出优异的稳定性。

机理探究：结合原位红外光谱和密度泛函理论计算，揭示了反应路径和催化机制。理论计算表明，高指数(311)面能更有效地吸附和稳定^*NHOH等关键中间体，并降低反应决速步的能垒，从原子尺度解释了性能提升的根源。

图2. 电催化NO₂⁻-RR性能评估

要点三：系统集成——超低电压产氨与双功能电池的“梦幻联动”

为了将催化剂的优势最大化，研究团队将其应用于两个系统中（图3）：

节能电解池：将NO₂⁻-RR阴极与热力学更易进行的水合肼氧化反应（HzOR）阳极耦合，构建了混合电解系统。该系统在仅0.19 V的超低电压下即可驱动10 mA cm⁻²的电流密度进行产氨，相比传统水电解，能耗降低了83%，真正实现了节能降耗。

Zn-NO₂⁻电池：组装了以Cu₂O NSs为阴极的锌-亚硝酸盐电池。该电池实现了1.312 V的高开路电压和10.02 mW cm⁻²的峰值功率密度，在放电的同时，还能在阴极高效地将污染物NO₂⁻转化为NH₃，同步实现了电能输出和氨合成，为可持续能源系统和环境治理提供了全新思路。

图3. 耦合HzOR实现超低能耗合成氨与Zn-NO₂⁻电池

【文章链接】

Rational design of high-index facet Cu₂O: Toward energy-efficient NH₃ electrosynthesis via HzOR coupling and advanced Zn-NO₂⁻ battery

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126613

【通讯作者简介】

金明尚 教授简介：

西安交通大学前沿科学技术研究院教授，博士生导师，入选国家级青年人才、陕西省杰出青年、陕西省普通高校“青年杰出人才”、西安交通大学青年拔尖人才，小米青年学者、“电催化能源转化材料”团队负责人。近年来主要从事金属纳米材料的精准合成及其能源催化应用研究。在厦门大学化学系获得理学学士学位（2002-2006）和理学博士学位（2006-2012），攻读博士期间受国家留学基金委资助前往美国华盛顿大学圣路易斯分校开展联合培养工作（2009-2011）。主持国家自然科学基金4项，申请国家发明专利7项，授权国家发明专利5项，美国专利1项。发表SCI论文70篇，引用8000余次，H因子35。现任陕西省贵金属材料创新中心技术委员会委员（2019-今），《SmartMat》杂志青年编委（2021-今），中国化工学会无机酸碱盐专业委员会学术专家智库（2022-今），获“中国化学会优秀青年学术论文奖”“爱思唯尔2020年度中国高被引学者”等。

【第一作者介绍】

葛紫欣：西安交通大学前沿科学技术研究院博士研究生，导师为金明尚教授。主要从事电催化剂的设计合成及其在小分子转化（如硝酸根/亚硝酸根还原）中的应用研究。相关成果发表在Advanced Energy Materials、Journal of Energy Chemistry、Chemical Engineering Journal、Applied Catalysis B: Environment and Energy等国际知名期刊。