NO3−由于具有农业和工业废水中的普遍性、特殊的水溶性和低的N=O键能(204 kJ mol-1)，可以作为电化合成NH3的理想氮源。贵金属催化剂虽然具有优异的电催化NO3−还原反应(NitRR)活性，但它们的高成本和稀缺的储量限制了其大规模应用。为克服上述问题，人们已经付出巨大努力来开发有效的非贵金属催化剂。
值得注意的是，Cu的d轨道和NO3−的最低未占据分子轨道(LUMO)π*分子轨道的能级相当，有助于NO3−在催化剂表面的结合。但是，在Cu基电催化剂上，NitRR中间体(*NO3、* NO2、* NO、*N、*NH和*NH2)的强烈吸附阻碍了电化学还原为NH3。
基于此，西安交通大学延卫、冯江涛和卡迪夫大学侯博等采用化学氧化法和水热法在泡沫铜载体上合成了NiMoO4/CuO纳米线(NW)催化剂(NiMoO4/CuO NW/CF)，其表现出优异的NitRR性能。
具体而言，NiMoO4/CuO NW/CF催化剂在−0.2 VRHE超低电位下的NH3产率和法拉第效率分别为0.8221 mmol cm-2 h-1和98.8%，优于传统的Cu催化剂。并且，该电极在连续电解20小时后仍保持良好的活性，电化学测试后材料的结构和形貌几乎未发生变化，表现出优异的反应稳定性。
原位光谱表征和理论计算表明，CuO NW和NiMoO4分别对NO3−转化为NO2−和NO2−转化为NH3具有优异的催化活性。在预还原过程中，CuO经过还原形成Cu/Cu2O；在NO3−还原过程中，Cu/Cu2O与NO3−之间发生自发的氧化还原反应，Cu/Cu2O氧化成Cu2O，同时NO3−还原成NO2−。在阴极电位下，Cu2O在后续循环中还原为Cu/Cu2O。同时，在NiMoO4存在下，H2O还原形成*H和OH−。Cu/Cu2O表面吸附的NO2−通过与NiMoO4上生成的*H相互作用逐渐转化为NH3。
以上结果证明Cu/Cu2O(111)和NiMoO4物种之间的协同多相催化效应是优异的NitRR性能的关键。综上，该项工作揭示了Cu基催化剂上涉及H*中间体的NH3活性机理，为设计高效的NitRR催化剂提供了理论基础。
Electrocatalytic conversion of nitrate into ammonia through heterogeneous catalysis of NiMoO4 and Cu/Cu2O. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202401287
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