2025年3月，北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳鵬萬教授課題組在快速脈沖放電合成非對(duì)稱配位釕銅雙原子催化劑研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Tailoring asymmetric RuCu dual-atom electrocatalyst toward ammonia synthesis from nitrate”為題在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Communications》上發(fā)表。陳鵬萬教授、陳文星副教授和高鑫副教授為論文共同通訊作者，博士生劉開源為第一作者。

電化學(xué)硝酸鹽還原反應(yīng)（NO3RR）可將水中硝酸鹽污染物轉(zhuǎn)化為氨，兼具環(huán)境治理與清潔能源生產(chǎn)雙重價(jià)值。然而，傳統(tǒng)催化劑受限于活性位點(diǎn)密度低、反應(yīng)路徑復(fù)雜等問題，難以實(shí)現(xiàn)高選擇性與高穩(wěn)定性。原子級(jí)分散雙原子催化劑（DACs）因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和協(xié)同效應(yīng)備受關(guān)注，但其精準(zhǔn)合成與機(jī)制仍是較大難題。研究團(tuán)隊(duì)提出脈沖放電合成策略，將百微秒級(jí)高密度電流作用于負(fù)載氮摻雜石墨烯氣凝膠（NGA）的釕、銅鹽納米晶前驅(qū)體，兩種金屬鹽納米晶體在瞬時(shí)高溫下發(fā)生“微爆”分解，釕、銅原子錨定于NGA的納米孔缺陷位點(diǎn)，形成不對(duì)稱RuN?-CuN?配位結(jié)構(gòu)。該方法突破傳統(tǒng)熱解法合成限制，單次放電僅需數(shù)百微秒級(jí)時(shí)間，有望用于雙原子催化劑的規(guī)模化制備。

圖1 RuCu DAs/NGA的合成與設(shè)計(jì)

圖2 RuCu DAs/NGA的形貌

圖3 RuCu DAs/NGA的結(jié)構(gòu)分析

圖4 擴(kuò)展的NGA負(fù)載金屬雙原子形貌和結(jié)構(gòu)特征

圖5 RuCu DAs/NGA的電催化NO3RR性能及原位結(jié)果。

圖6 RuCu DAs/NGA NO3RR活性的理論分析

實(shí)驗(yàn)表明，RuCu DAs/NGA催化劑在-0.4 V（vs. RHE）條件下，氨法拉第效率達(dá)95.7%，產(chǎn)率達(dá)3.1 mg h?1 cm?2，性能居同類催化劑前列。通過原位光譜表征與密度泛函理論計(jì)算，揭示了反應(yīng)過程中不對(duì)稱RuN?-CuN?活性位點(diǎn)的動(dòng)態(tài)演化機(jī)制：釕位點(diǎn)優(yōu)先吸附硝酸鹽，銅位點(diǎn)調(diào)控氫物種吸附，協(xié)同降低*NO→*NHO等關(guān)鍵步驟的能壘，從而提升合成氨效率。

該脈沖放電策略可拓展至鉑-銅、鐵-銅等多種雙金屬體系，實(shí)現(xiàn)配位環(huán)境與原子間距的精準(zhǔn)調(diào)控，為傳統(tǒng)難以合成的雙原子催化劑提供通用制備平臺(tái)。利用釕銅雙金屬催化劑可有效去除廢水中硝酸鹽含量，同時(shí)氨是化肥生產(chǎn)與氫能載體的核心原料，當(dāng)前全球合成氨產(chǎn)業(yè)年碳排放超4億噸。本研究為綠色合成氨提供了高效催化劑與可擴(kuò)展制備技術(shù)，未來可耦合可再生能源電力，推動(dòng)環(huán)境保護(hù)與能源轉(zhuǎn)換技術(shù)革新。