▲第一作者：沈飞硕士
共同通讯作者：蒋光明教授、侯立安院士
通讯单位：重庆工商大学、北京师范大学
论文DOI：10.1002/ange.202423154
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利用绿色的电能将废水中的硝酸盐转化为高附加值的氨（
NO3RR）为氮资源循环提供了全新的解决方案。铜催化剂常被用于NO3RR，但因吸附弱、质子供应不足导致亚硝酸盐积累和产氨效率低。单原子铜虽增强吸附能力，但单个活性位点受“数量-活性”线性关系限制，而双原子催化剂难以制备，无法规模化推广。
近日，蒋光明教授与侯立安院士设计了一种三氧化钨支撑的单原子铜（
Cu₁/WO₃
）双驱动催化剂，通过
WO₃
高效分解水提供质子，
Cu₁
吸附并催化氮物种还原，打破性能瓶颈。团队还开发了一种耦合的
NO3RR-
真空驱动膜分离集成装置，以长江水为对象高效回收氮资源，为绿色氨合成与污染治理提供了创新路径。
利用可再生的电能将废水中硝酸盐转化为高附加值氨，为氮资源循环利用提供了一种绿色高效的解决方案。金属铜是较优的
NO3RR
催化剂，但因对氮中间产物吸附较弱且质子供应不足，导致亚氮积累和产氨速率不足。单原子铜由于其独特的配位环境和电子结构对氮中间产物有较强的吸附，加快反应速率，但是单原子在多电子
/
质子的反应中单个活性位点会受到数量
-
活性的线性关系限制，只能通过构建双原子催化剂来打破线性限制，但该催化剂合成复杂，成本较高，不能大规模推广。
1
）双驱动机制突破线性限制：
WO₃
通过高效水分解持续供给质子，单原子
Cu
1
位点以缺电子态强化氮中间产物吸附，协同打破单原子催化剂的性能瓶颈。
2
）高效的催化性能：针对低浓度硝酸盐水体，在
-0.60 V
下实现
1274.4 mg
N
h⁻¹ g
Cu
⁻¹
的产氨速率，
99.2%
氨氮选择性和
93.7%
法拉第效率，同时亚硝酸盐残留低于饮用水标准（
<1.0 mg/L
）。
3
）集成化氨回收系统：设计开发了含
NO3RR
和真空驱动膜分离装置的连续流系统，以长江水为模型实现
98.3%
氨回收率，能耗仅
17.11 kWh·g
N
⁻¹
，为低浓度废水处理提供可推广方案。
利用简单的化学浸渍法将单原子Cu
负载在
WO
3
纳米片上（图
1a
），
XRD
和
TEM
分析得知
Cu
1
/WO
3
继承了纳米片的形貌，并且
Cu
在
WO
3
上均匀分布（图
1b-d
，
f
）。使用
XPS
和
XAFS
（图
2
）分析
Cu
的配位环境和电子结构得知，
Cu
1
/WO
3
中
Cu
1
以单原子形态存在，化合价为
+1.5
，其缺电子特性可以加强对氮中间产物的吸附。
图
1 Cu
1
/WO
3
的形貌和结构表征
图
2 Cu
1
/WO
3
中
Cu
1
的电子结构表征
LSV
曲线说明
WO
3
和
Cu
1
/WO
3
拥有较低的储氢起始电位，图
3a
中照片展现的化学变色效应说明形成了
H
x
WO
3
。序批次反应说明
Cu
1
/WO
3
的
NO3RR
活性远超
Cu NPs
（图
3b-c
），并且在不同电压和硝酸根浓度下均展现了优异的活性，实现了
1274.4 mg
N
h
-1
g
Cu
的产氨速率、
99.2%
的氨氮选择性和
93.7%
的法拉第效率，并且几乎没有亚氮残余（图
3d-g
），在相似条件下远超其他文献报道的催化剂（图
3h
）。
图
3 Cu
1
/WO
3
的
NO3RR
性能
对
Cu
1
/WO
3
开展
NO3RR
机理分析，首先通过原位光谱探究反应路线（图
4a
），之后通过动力学同位素实验证明氢化学键的形成或断裂在
NO3RR
中为速率决定步骤（图
4b
），理论计算证明
WO
3
具备更强的分解水和吸附氢的能力，可为
Cu
1
活性位点持续提供氢源（图
4c-e
）。
Cu
1
的
d
带中心更接近费米能级，相较于单质
Cu
其吸附氮物种的能力大幅提升，更强的吸附能力可以加快产氨反应速率（图
4f-g
）。
图
4 Cu
1
/WO
3
的
NO3RR
机理分析
同时，设计开发了全新的真空驱动膜分离装置回收产物氨，通过外加真空驱动氨快速跨膜传输，实现了
