于一夫/鲁启鹏Nature子刊：脉冲电位起大作用，助力RuIn3/C在低NO3−浓度下电催化制NH3

人们过度使用含氮化肥和污水排放产生的过量NO₃⁻离子严重干扰了自然的氮循环。在已报道的硝酸盐去除技术中，可再生电能驱动的硝酸盐还原为氨(NRA)由于利用水作为氢源和电子作为还原剂而具有良好的应用前景。目前已经开发了各种策略来提高NRA性能，并且大多数报道的催化剂对于高浓度(>100 mM) NO₃⁻盐还原显示出高的法拉第效率和氨产率。

然而，由于工作电极附近NO₃⁻的迁移受限和竞争性析氢反应的存在，低浓度NO₃⁻(≤10 mM)的有效电还原仍然是一个重大挑战。因此，研究打破阴极表面传质限制、延缓竞争HER反应的策略，对于实现低浓度NO₃⁻高效电还原制NH₃具有重要意义。

近日，天津大学于一夫和北京科技大学鲁启鹏等采用碳负载的RuIn₃金属间化合物(RuIn₃/C)作为模型催化剂，系统地论证了脉冲电位在提高低浓度(≤10 mM) NO₃⁻电催化还原为NH₃的性能方面的优势。结果表明，在脉冲条件下，RuIn₃/C的NH₃法拉第效率为97.6%，产率为2.7 mmol^-1 h^-1 mg_Ru^-1，NO₃⁻转化率为96.4%，明显优于恒电位法(NH₃法拉第效率为65.8%，产率为1.1 mmol^-1 h^-1 mg_Ru^-1，NO₃⁻转化率为54.1%)。

此外，在脉冲条件下，NO₃⁻浓度可连续降至0.35 mM，低于排放标准(≤0.81 mM)；对于恒电位条件，残留NO₃⁻浓度远高于排放标准。更重要的是，脉冲测试前后材料的双电层电容分别为5.63和5.95 mF cm^-2，表明由脉冲电位引起的表面重建可以忽略。

原位表征和有限元分析结果表明，在恒电位和脉冲条件下，RuIn₃/C中的活性物种均为Ru⁰，并且脉冲电解促进了NO₃⁻在电极附近的积累，形成了顶部吸收构型的活跃的*NO中间产物；还有就是，在脉冲NRA过程中H₂的产生被抑制，这协同促进了低浓度NO₃⁻还原为氨。

总的来说，该项研究为反应过程的合理设计和精确控制提供了一种有效的方法，可将其扩展到更广泛的催化应用领域。

Pulsed electroreduction of low-concentration nitrate to ammonia. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-43179-1