電催化硝酸鹽還原反應(yīng)（NO3RR）成為一種很有前景的可持續(xù)氮管理方法，它能夠?qū)⑾跛猁}選擇性轉(zhuǎn)化為目標(biāo)含氮化合物，如氨和羥胺。

然而，NO3RR的效率和選擇性在很大程度上取決于電催化劑的物理化學(xué)性質(zhì)，因此需要一套標(biāo)準(zhǔn)化且全面的表征協(xié)議。

2025年12月2日，天津大學(xué)張兵、北京航空航天大學(xué)劉利民、淮北師范大學(xué)馬東偉在國際知名期刊Nature Protocols發(fā)表題為《Testing, quantification, in situ characterization and calculation simulation for electrocatalytic nitrate reduction》的綜述，Kai Dong、Shuhe Han、Yanan Li為論文共同第一作者，張兵、劉利民、馬東偉為論文共同通訊作者。

在本文中，作者提供了用于NO3RR的材料在結(jié)構(gòu)、化學(xué)、電子和電化學(xué)方面的詳細(xì)表征方法。作者概述了評估催化劑形態(tài)、組成和氧化還原狀態(tài)的程序，以及量化反應(yīng)產(chǎn)物以確定硝酸鹽轉(zhuǎn)化效率和選擇性的方法。為追蹤反應(yīng)條件下催化劑的演變和反應(yīng)路徑，作者提出了實(shí)時監(jiān)測策略，以捕捉與化學(xué)鍵形成和斷裂相關(guān)的結(jié)構(gòu)變化、關(guān)鍵反應(yīng)中間體以及電子轉(zhuǎn)變。

此外，作者結(jié)合理論計算來全面評估反應(yīng)路徑及其與電催化劑電子結(jié)構(gòu)的相互作用，為反應(yīng)動力學(xué)、活性位點(diǎn)演變和選擇性決定因素提供更深入的機(jī)理見解。本協(xié)議專為電催化、環(huán)境化學(xué)和能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究人員設(shè)計，提供了可重復(fù)的催化劑評估工作流程。這種分步方法確保了可靠的數(shù)據(jù)收集和解讀，能夠直接比較不同的催化劑，并有助于開發(fā)更高效的NO3RR催化劑。整個工作流程大約需要8-10天，具體取決于樣品制備和測量的持續(xù)時間。

電催化硝酸鹽還原反應(yīng)（NO3RR）作為一種可持續(xù)的氮管理策略受到了越來越多的關(guān)注，它有助于將硝酸鹽選擇性轉(zhuǎn)化為特定的含氮化合物，如氨（NH3）和羥胺（NH2OH），這兩種物質(zhì)都是有價值的化學(xué)原料和能量載體。雖然不能直接替代哈伯-博施法，但NO3RR方案能夠在環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)分散式氨或銨鹽的生產(chǎn)。其模塊化的電化學(xué)設(shè)計通過電極擴(kuò)展或電池堆疊支持實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)與可再生電力（例如太陽能和風(fēng)能）完全兼容，可實(shí)現(xiàn)靈活的按需運(yùn)行。此外，直接利用富含硝酸鹽的廢水有助于減輕污染和實(shí)現(xiàn)資源回收。然而，NO3RR的效率和選擇性在很大程度上取決于電催化劑的物理化學(xué)性質(zhì)，因此全面的表征方案對于理解催化活性和優(yōu)化性能至關(guān)重要。未來的發(fā)展應(yīng)側(cè)重于降低過電勢、改進(jìn)產(chǎn)物分離以及確保催化劑在工業(yè)電流密度下的長期穩(wěn)定性。

圖1：電催化硝酸鹽還原反應(yīng)（NO3RR）的物理化學(xué)與功能表征技術(shù)示意圖。該圖展示了評估NO3RR用催化劑的綜合工作流程，包括電化學(xué)性能測試、產(chǎn)物定量分析、材料表征、原位表征技術(shù)（如差分電化學(xué)質(zhì)譜（DEMS）、電子順磁共振（EPR）、表面增強(qiáng)紅外吸收光譜（SEIRAS）、表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）、X射線衍射（XRD）和X射線吸收光譜（XAS））以及計算模擬。這種整合式方法可為NO3RR反應(yīng)機(jī)理提供基礎(chǔ)層面的認(rèn)知，指導(dǎo)高性能電催化劑的理性設(shè)計。圖中紅色、黃色和白色球體分別代表氧、氮和氫原子。

綜上，作者提出了一套標(biāo)準(zhǔn)化、可復(fù)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)-理論聯(lián)合流程，系統(tǒng)表征電催化硝酸鹽還原（NO3RR）催化劑的形貌、電子結(jié)構(gòu)、活性位點(diǎn)演化及反應(yīng)路徑，實(shí)現(xiàn)了對氨/羥胺選擇性和轉(zhuǎn)化效率的精準(zhǔn)評估。

本研究成果為設(shè)計高效、穩(wěn)定的NO3RR催化劑提供了通用方法論，可直接指導(dǎo)廢水脫氮、分布式綠氨合成及可再生能源耦合的氮循環(huán)管理，兼具環(huán)境與能源雙重價值。

Testing, quantification, in situ characterization and calculation simulation for electrocatalytic nitrate reduction. Nat. Protoc. (2025). https://doi.org/10.1038/s41596-025-01289-8.

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