协同的铜单质(Cu0)和铜离子(Cu+)位点被认为是硝酸盐电化学还原反应(NO3–RR)过程中NH3合成的活性物种。
然而,对于Cu0和Cu+的机制理解及其具体功能的理解仍然有限,主要的障碍在于有效调节Cu0-Cu+位点的界面结构。
2025年3月10日,延安大学付峰、杨春明,山西大学杨恒权,南京林业大学荆宇在国际顶级期刊Nature Communications上发表了题为《Size-effect induced controllable Cu0-Cu+ sites for ampere-level nitrate electroreduction coupled with biomass upgrading》的研究论文,逯宇轩、岳锋、刘天阳为论文共同第一作者,付峰、杨春明、杨恒权、荆宇为论文共同通讯作者。

在本文中,作者通过调控Cu2O纳米立方体电催化剂尺寸效应来改变Cu0-Cu+界面结构,以提高NO3–RR性能的可调构建。通过宏观粒子尺寸与微观配位结构性质的相关性,阐明了Cu0-Cu+基序的形成机制,并确定了Cu0-Cu+基序对NO3–RR的协同效应。
基于Cu0-Cu+界面电催化剂的合理设计,作者开发了一个高效的配对电解系统,在工业相关的电流密度(2 A cm-2)下同时高效生产NH3和2, 5-呋喃二羧酸(FDCA),且在100 cm2的电解槽中保持高法拉第效率、高产率和长时间运行稳定性,显示出有前景的实际应用。

图1:Cu2O电催化剂的结构表征

图2:Cu2O纳米立方体的动态重构

图3:不同Cu/Cu2O催化剂上NO3RR的电催化性能

图4:机理研究

图5:双电解系统及其技术经济分析
综上,作者通过调控Cu2O纳米立方体的尺寸效应,实现了对Cu0-Cu+界面结构的可控构建,并将其应用于硝酸根电化学还原反应(NO3–RR)合成NH3和生物质升级。
研究揭示了Cu0和Cu+在NO3⁻RR中的协同作用机制,并开发了一种高效的配对电解系统,实现了NH3和2, 5-呋喃二羧酸(FDCA)的高效生产。
基于此,所开发的配对电解系统在工业相关电流密度(2 A cm-2)下表现出长期稳定性,显示出在可持续氨合成和生物质升级中的巨大应用潜力。
Lu, Y., Yue, F., Liu, T. et al. Size-effect induced controllable Cu0-Cu+ sites for ampere-level nitrate electroreduction coupled with biomass upgrading. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57097-x.