人類在工業化和農業化進程中產生了大量氮氧化物鹽（如硝酸鹽）和生物質衍生醛（如糠醛）等廢棄物，其清潔轉化和綠色利用是實現可持續未來面臨的重大挑戰。電催化硝酸鹽還原合成氨因其在常溫常壓下進行、具有經濟優勢且可作為高效的廢水處理技術而備受關注，但現有研究中硝酸鹽還原反應（NO3RR）的理論電位與實際起始電位差距大，且反應動力學緩慢、產物價值低。同時，糠醛是一種來自農業廢棄物的生物質衍生分子，可通過電轉化生產氫氣和附加值高的呋喃羧酸，將硝酸鹽電還原與糠醛升級耦合可平衡能量消耗、廢物處理成本和產物經濟性。但目前對于耦合反應中氫轉移行為的關鍵中間體尚不明確，且缺乏能夠同時優化NO3RR和糠醛氧化反應（FOR）動力學的高效電催化劑，限制了該耦合系統的實際應用。近日，深圳大學的駱靜利教授和趙斌特聘研究員團隊，通過合理的熱力學設計，創新性的提出了一體化可持續的“糠醛-硝酸鹽”體系。并且該體系由雙功能電催化劑RhCu NW/CF驅動，該系統以工農業廢棄物為原料，“最大化利用”器件中雙極的化學反應價值，在正極電催化還原合成氨以及負極選擇性增值氧化制氫的同時輸出電能，無碳排放，綠色環保，實現了制氫、儲氫（制氨）、發電一體化。
研究團隊通過經典的濕化學法成功合成了目標催化劑（RhCu NW/CF）。RhCu NW/CF形貌為密集的RhCu合金納米線，尺寸均一，具有良好的晶體結構。RhCu NW/CF電催化劑中的Rh和Cu之間存在強耦合相互作用，優化了電催化劑的電子結構和活性位點。結合各種原位表征技術和理論計算結果可知，Rh-Cu鍵的形成可有效優化NO3RR和FOR中質子中間體的轉移行為，不僅有效降低了NO3RR中質子中間體與氮氧中間體結合的決速步驟自由能能壘，還改變了質子中間體在FOR中的反應路徑，最終促使兩個電催化反應的起始電位更接近理論電位并展現出高電流密度的特征。最后，將RhCu NW/CF同時應用在NO3RR和FOR中，可以實現在無需外部電源功能的情況下，同時實現廢水凈化、正極產氨、負極產氫和生物質升級的功能，還展現出良好的放電性能和經濟價值，這為可持續能源解決方案提供了新的研究思路。
論文信息
Manipulation of Hydrogen Transfer Behaviors by RhCu Alloying Enables an All-in-one Sustainable “Furfural-Nitrate” System
Xin Long, Prof. Dr. Bin Zhao, Danni Liu, Guodong Fu, Hang Yang, Dr. Renfei Feng, Dr Ning Chen, Hekun Ding, Jiayi Wu, Yuanfeng Liao, Prof. Dr. Shaoqing Liu, Yu Zhang, Prof. Dr. Xian-Zhu Fu, Prof. Dr. Jing-Li Luo
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202503424
