与N2分子相比，亚硝酸盐(NO2–)由于其在水中的溶解度增加和较低的N=O键解离能，可作为NH3电合成的原料。此外，NO2–由于其毒性和高浓度而被列为水生生态系统中最严重的污染物之一。因此，将NO2–电催化还原(NO2RR)为NH3不仅有望减轻环境污染，而且为可持续合成 NH3提供了一种生态友好和节能的途径。
NO2RR过程可以被视为一个串联两步反应(NO2–-*NO，*NO-NH3)，杂质结构工程有助于实现NO2–到NH3的串联转化，这可以提供多个活性位点，并破坏催化剂和类似中间体之间的线性标度关系。具有良好质子化能力的Ni基催化剂与Cu基催化剂耦合可以解决*H利用率不足的问题。
此外，已经证明两相之间的中等功函数差(ΔΦ)使得在界面上产生强烈的质子俘获，从而降低HER活性。因此，预计由Cu物种和Ni物种组成的异质结构可能是一种高效和选择性的NO2RR催化剂。
基于此，南开大学袁忠勇课题组制备了一种Cu2O/NiO纳米花异质结构，并研究了其电催化NO2RR行为。实验结果表明，在流动池中，Cu2O/NiO催化剂在-1.25 A cm-2时的NH3生产速率为128.2 mg h-1 cm-2，NH3法拉第效率高达97.1%；同时，在-500 mA cm-2下，Cu2O/NiO电极表面几乎没有观察到气泡生成，证实了由于异质结构的形成，有效抑制了HER并促进了NO2RR过程。
此外，Cu2O/NiO在流动电池中表现出较高的电催化稳定性，连续电解50小时后NH3法拉第效率仍超过95%，且稳定性测试后材料的形貌和结构未发生明显变化。
理论计算和原位FTIR/EPR光谱表明，Cu2O/NiO的良好NO2RR性能归因于异质结构工程在双活性位点上优化和匹配了串联工艺，其中具有增强的*NO2吸附的Cu2O位点激活了NO2–的初始吸附和脱氧以促进*NO的形成，生成的*NO随后转移到NiO载体上，并提供足够的*H物种用于*NO加氢制NH3。
此外，异质结构的形成可以增强*H的保留能力，显著抑制HER，促进NO2RR中*H的消耗。更重要的是，这种串联体系还适用于电化学NO3–还原反应，其可以通过构建串联NO3–还原途径来促进NH3生产。
*H species regulation of heterostructured Cu2O/NiO nanoflowers boosting tandem nitrite reduction for high-efficiency ammonia production. Advanced Functional Materials, 2025. DOI: 10.1002/adfm.202425687
袁忠勇，南开大学教授，博士生导师。新催化材料科学研究所所长。英国皇家化学会会士。曾担任先进能源材料化学教育部重点实验室副主任，中国化学会分子筛专业委员会委员。1990年毕业于浙江师范大学化学系，1996年和1999年在南开大学分别获硕士和博士学位。1999-2001年在中科院物理研究所从事博士后研究。2001-2005年在比利时和平圣母大学研究员工作。2005年受聘为南开大学特聘教授。围绕环境保护和能源危机中的科学问题和重要反应，开展有关沸石分子筛、介孔材料、分级孔结构、有机-无机杂化材料、低维纳米结构等多孔纳米催化材料体系的合成、性能与应用研究。已承担国家973计划项目、国家自然科学基金面上项目、天津市科委重点项目、科技部政府间国际合作项目等十余项课题，以及来自中石化、中石油等企业合作项目。至今已在Chem、Soc. Rev.、Angew.、AM、AEM、AFM、ACS Nano、ACS Catal.、Appl. Catal. B、Small、Chem. Mater.等重要期刊上发表SCI收录论文400余篇，论文已被他引19500余次，H-index为71。