电催化还原硝酸盐生成氨（NRA）提供了一种在温和条件下将广泛存在的硝酸盐污染物转化为氨的途径。
在众多非均相催化还原（NRA）催化剂中，单原子催化剂（SACs）因其具有最大金属原子利用率、均匀且可调控的活性位点等诸多优势而引起广泛关注。然而，当在低浓度硝酸盐电解质中运行时，加速NRA动力学并同时抑制竞争性析氢反应（HER）仍是一个巨大的挑战。
2025年3月3日，江南大学张龙生、刘天西在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为《Defect-Enriched Cobalt-Based Coordination Polymers for Selective and Efficient Nitrate Electroreduction to Ammonia》的研究论文，丁奕丹、张守罕、Yunxia Liu为论文共同第一作者，张龙生、刘天西为论文共同通讯作者。
张龙生，副教授，2013年学士毕业于华南理工大学，2016年硕士毕业于复旦大学，师承刘天西教授，2020年博士毕业于复旦大学，后于江南大学担任副教授。
张龙生副教授主要研究方向为电催化材料及器件、锂电池材料及器件、共轭配位聚合物材料及气凝胶功能复合材料。迄今，在Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Functional Materials、Advanced Energy Materials、ACS Nano等期刊发表论文70余篇，授权发明专利20余项，出版英文专著1部。
刘天西，江南大学“至善特聘教授”，博士生导师。国家杰出青年基金获得者、英国皇家化学会会士、上海市领军人才、上海市优秀学术带头人、上海市曙光学者、上海市青年科技启明星、教育部新世纪优秀人才、德国洪堡学者。现任Composites Communications共同主编、Advanced Fiber Materials副主编、Functional Composite Materials副主编、教育部科技委委员、中国复合材料学会·纳米复合材料分会主任。
刘天西教授主要研究方向为高分子纳米复合材料、气凝胶功能复合材料、纳米纤维及其复合材料、纳米能源复合材料及器件。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem, Soc.、Nat. Commun.等期刊发表SCI论文600余篇，他引3.5万余次，H因子100；2018~2023连续六年入选爱思唯尔“中国高被引学者”（材料科学、化学工程与技术）；2020年、2022年获上海市自然科学二等奖（排名第一）；获授权发明专利50余项；出版中、英文专著4部。
在本文中，作者报道了一种制备缺陷富集配位聚合物催化剂的通用策略，该催化剂具有明确且不饱和的单原子金属位点，即使在低硝酸盐浓度下也能表现出卓越的NRA性能，并且优于其他报道的SACs在NRA催化方面的表现。
以钴（Co）为例，作者研究了富含缺陷的基于Co的配位聚合物（d-CoCP）及其对应的没有缺陷的CoCP作为概念验证研究。
实验和理论结果都表明，d-CoCP中精心设计的缺陷可以显著降低沿NRA途径的速率限制步骤将*NO还原为*HNO的热力学障碍，从而加速硝酸盐的吸附并促进NRA动力学。
图2：随着刻蚀时间增加制备的CoCP和d-CoCP-n（n=1, 2, 3）催化剂的结构表征
综上，作者开发了一种缺陷富集型钴基配位聚合物催化剂（d-CoCP），通过甲醇刻蚀处理引入氮空位，显著提升了电催化硝酸盐还原合成氨（NRA）的性能。
实验和理论计算表明，氮空位降低了反应的热力学能垒，优化后的d-CoCP催化剂在低硝酸盐浓度下展现出高达0.78 mmol h-1 cm-2的氨产率和97%的法拉第效率，显著优于其他单原子催化剂（SACs）。
该发现不仅为硝酸盐污染的高效转化和氨的可持续合成提供了技术支撑，还为其他电催化反应中催化剂的优化提供了参考。这种基于缺陷工程的策略具有广泛的适用性，有望在多种催化反应中实现高性能催化剂的设计与应用。
Defect-Enriched Cobalt-Based Coordination Polymers for Selective and Efficient Nitrate Electroreduction to Ammonia，Adv. Funct. Mater.（2025）https://doi.org/10.1002/adfm.202422339.
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