电催化硝酸盐还原制氨(NO3RR)兼具绿色合成氨与硝态氮废水治理双重优势，但温度波动引发的选择性差、副反应多等问题，长期制约其产业化发展。近日，石河子大学代斌教授/王宗元副教授团队联合天津大学王嘉骏副研究员以Cu2O为模型催化剂，成功设计出原子分散Co改性Cu2O催化剂（Co-Cu2O），精准攻克了电催化硝酸盐还原制氨对温度敏感的技术瓶颈，实现了10-40℃宽温域内高选择性制氨。
该研究为宽温域电催化剂设计提供了全新的原子级机理认知和实用策略，有力推动了电催化硝酸盐还原制氨的实际工程化应用。相关成果以“Modulating intermediate coverage on atomically dispersed Co modified Cu2O for efficient nitrate reduction across a wide temperature range”为题，发表在环境与能源领域顶级期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上（Appl. Catal. B: Environ. 389 (2026) 126600; https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126600），论文第一作者为石河子大学化学化工学院博士生安婷、李宇翔，通讯作者为石河子大学代斌教授、王宗元副教授和天津大学王嘉骏副研究员。
🌡️ 行业痛点：温度波动，让制氨催化剂“失灵”
电催化硝酸盐还原制氨的核心优势，是能在温和条件下绿色制氨，同时将废水中硝酸盐转化为高价值氨，实现环境治理与资源回收一举两得。但在实际工业场景中，环境温度的自然波动 (如季节变化、工况差异) 让这一技术难以落地—催化选择性会因此变得不可控。究其原因，硝酸盐还原存在NO3RR、NO2RR与 HER三条平行反应路径，且温度变化会导致反应路径“偏移”，让实验室的优异性能难以在实际场景复刻。
图1.电催化硝酸盐还原制氨原理及实际温度波动特征
🔍机制初探：纯Cu2O的温敏缺陷与路径失衡
为找到温度影响催化性能的核心症结，研究团队以NO3RR研究中应用广泛的Cu2O为模型催化剂展开系统研究，首次清晰揭示了10-40℃范围内，纯Cu2O上NO3RR、NO2RR和HER三条反应路径的竞争机制，通过INO₃RR/IHER和INO₃RR/INO₂RR两个描述符观察温度变化引起的性能波动。研究发现，纯Cu2O升温时虽氨产率有所提升，但亚硝酸盐累积问题突出，催化选择性随温度大幅变化，不适用于工业生产的稳定输出需求。
图2. Cu2O模型催化剂的硝酸盐还原性能随温度变化规律
✨核心突破：原子分散Co改性，打造 “热自适应”Cu2O 催化剂
针对纯Cu2O的显著温敏缺陷，研究团队针对性设计原子级改性策略，采用水下火花等离子体放电法制备出原子分散Co掺杂的Cu2O催化剂(Co-Cu2O)，一系列表征证实，Co以单原子形式均匀分散在Cu2O晶格中，形成稳定的Co-O-Cu活性位点，且未改变Cu2O主体晶型，从原子层面精准调控了Cu2O催化剂。
图3. Co-Cu2O催化剂的原子级结构与电子态表征
🧪 机制揭秘：双效协同，锁住宽温域制氨“主路径”
研究通过原位电化学光谱(EPR、DEMS、in-situ Raman)结合DFT计算，解析了Co-Cu2O的宽温域高效催化机制，揭示原子分散Co位点的核心作用：
1. 强化氢化能力：Co位点显著提升活性氢 (H*) 生成能力，为硝酸盐还原提供充足氢源，加速氨生成的同时抑制亚硝酸盐中间体累积；
2. 稳定关键中间体：在10-40℃温度区间内，Co位点动态调控 N-H 中间体(*NOH、*NH2、*NH3) 的吸附与转化，提升其表面覆盖率，防止脱附分解，锁定氨转化主路径并抑制副反应。
DFT计算进一步证实，Co引入显著降低NO3RR反应能垒，促进NH3生成。
图4. Co-Cu2O硝酸盐还原的机理原位表征与理论计算
📊 性能亮眼：宽温域法拉第效率超90%，产率再创新高
性能测试结果充分验证了催化机理，Co-Cu2O热自适应催化剂的制氨性能显著优于纯Cu2O：10–40℃宽温域内氨法拉第效率稳定＞90%，40℃时氨产率达53.79 mg h-1 mgcat-1；经10–40℃温度循环测试后，其催化性能与结构均保持稳定，展现出优异的循环耐久性，可满足工业实际工况需求。
图5. Co-Cu2O与Cu2O的硝酸盐还原性能对比及宽温域催化机理
🔬 总结与展望
本研究通过水下火花等离子体放电法制备原子分散Co掺杂Cu2O催化剂(Co-Cu2O)，攻克了电催化硝酸盐还原制氨 (NO3RR)对温度波动敏感、选择性失控的核心难题。该催化剂在10-40℃宽温域内NH3法拉第效率持续＞90%，40℃时NH3产率达53.79 mg h-1 mgcat-1，经温度循环后结构与性能仍保持稳定。原子分散Co位点作为热自适应中心起关键作用。本研究从原子层面揭示了Co介导的温度调控催化机制，为设计适用于工业动态工况的宽温域电催化剂提供了核心理论依据与实验支撑，为绿色催化技术的工业化落地开辟新路径。
（图文：王宗元 初审：张海洋 复审：刘平 终审：徐炜杰）
