温和条件下，将工业废水和受污染地下水中的硝酸盐转化为氨，为水处理和合成氨工业提供了一条有效途径。为此，科学家开发了许多电催化剂以提高硝酸盐还原反应 (NO3-RR)的效率。然而，报道的催化剂只有在相对较高的硝酸盐浓度下，才能达到高活性。大多数工业废水中硝酸盐浓度较低（eg. ≤ 100 ppm NO3--N），实现低浓度范围硝酸盐还原转化仍然是挑战。

近日，河北工业大学化工学院化工原理于丰收等人，在实现低浓度硝酸盐向氨高效转化方向上取得研究进展。该研究发现，B原子空轨道(2s22p1)可接收金属Cu电子，提高Cu表面氧化态和d带中心，降低NO3-吸附能，并使N=O键发生极化。因此，向金属Cu表面引入非金属B，有望促进NO3-在金属Cu表面吸附、活化。

实验研究表明，铜表面氧化态随B含量增加而提高，当B含量由1.266 at.%增加到2.501 at.%时，Cu的价态从+ 0.39提高到+ 0.69。表面氧化态（Cu+浓度）的增加，促进了NO3-吸附和活化，从而有望实现低浓度NO3-还原。性能测试表明，Cu表面氧化态与NH3产率之间存在明显线性关系。在稀硝酸盐溶液中(100 ppm NO3--N)，B含量最高的样品Cu(B)-3还原NO3-生成NH3选择性高达100%，产率为309 mg h-1 gcat-1；相同条件下，Cu的NH3产率仅12 mg h-1 gcat-1。该工作通过异质杂原子掺杂提高了金属Cu表面氧化态，促进还原反应过程中催化剂对底物的吸附和活化，实现了稀硝酸盐高效转化为NH3，对人工氮循环以及废水处理具有重要意义。

上述研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上 (Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202303483), 论文通讯作者为于丰收教授。研究工作受到国家自然科学基金(21905073, 22179065)、河北省百人计划 (E2019050015)、河北省自然科学基金 (B2021202010) 等项目的资助。

全文链接https://doi.org/10.1002/anie.202303483