由于硝酸盐还原反应（NO3–RR）与析氢反应（HER）之间存在竞争关系，提高法拉第效率（FE）的传统方法是在选择不具有HER活性的催化剂。然而，这种策略不仅限制了HER催化剂在NO3–RR中的应用，还会导致氢源不足，从而牺牲氨的产率。
2025年3月3日，华南理工大学&中南大学刘学明在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为《Balancing Hydrogen Evolution and Hydrogenation Reaction via Facet Engineering for Efficient Conversion of Nitrate to Ammonia in Actual Wastewater》的研究论文，Wenye Zhong、Yan Chen为论文共同第一作者，刘学明为论文通讯作者。
刘学明，华南理工大学工程师&中南大学副教授。1989年出生，2012年、2015年在新疆大学获得学士和硕士学位，2022年获得华南理工大学博士学位。2016年加入华南理工大学，历任助理工程师、工程师和高级工程师，2024年加入中南大学任副教授。
刘学明副教授主要从事重金属污染控制与资源化研究。具体包括：（1）废水中重金属及有价金属资源回收；（2）固废中重金属的资源回收；（3）土壤中重金属的快速识别与资源利用；（4）水/固介质中重金属功能材料制备研究。近年来以第一或通讯作者在Chem Catalysis、ACS ES&T Engineering、J. Hazard. Mater、Science of the Total Environment等环境、能源和材料领域的国际重要期刊上发表SCI学术论文近30篇，申请国家发明专利近40件。
作者认为HER催化剂不应被排除在加氢还原之外，HER参与NO3–RR可以实现高法拉第效率和高产氨率。
在本文中，研究人员以传统的水电解材料四氧化三钴（Co3O4）为模型系统，采用刻面工程的方法，获得了97.51%的法拉第效率（FE）和4.33 mg-N cm-2 h-1的氨产量。
优异的性能归因于晶面上的氧空位，这些氧空位极大地促进了水的解离，并捕获了NO3–RR的HER中间体，成功地将反应路径从析氢转变为硝酸盐加氢。
此外，作者制备了一种混合反应器，用于处理超高硝酸盐浓度的核工业废水，并实现了1216.8 g-N m-2 d-1的氨回收率。
本研究突破了HER催化剂在NO3–RR中的局限性，为催化剂设计和加氢机制提供了重要启示。
图1：Co3O4催化剂的形貌和表面化学性能
图2：NO3–RR性能测试
图3：原位监测N物种演化和*H利用
图4：加氢路径评估
图5：耦合系统及实际废水中的应用示范
综上，作者通过晶面工程在Co3O4催化剂上引入氧空位，实现了高效电催化还原硝酸盐制氨，同时解决了HER与NO3–RR之间的竞争问题。
本研究不仅突破了传统HER催化剂在NO3–RR中的应用限制，还通过制备耦合反应器实现了从核工业废水中高效回收氨，并为加氢反应机制提供了重要见解，为环境和能源领域的污染物协同处理与资源回收提供了新的思路和方法。
Balancing Hydrogen Evolution and Hydrogenation Reaction via Facet Engineering for Efficient Conversion of Nitrate to Ammonia in Actual Wastewater. Angew. Chem. Int. Ed., 2025. https://doi.org/10.1002/anie.202503117.