在全球碳中和的大趋势下，如何高效利用废物资源并生产高价值化学品成为研究热点。近日，武汉大学肖湘衡教授研究团队在《ACS Nano》上发表了一项成果——他们设计的CuNi合金催化剂系统，能将硝酸盐废水和生物质废弃物转化为氨和甲酸。该方法不仅有效缓解了环境污染问题，还实现了资源的高值化利用，具有良好的应用前景。

传统工艺的痛点与新方案的诞生

传统的电解水制氢技术面临着高成本、低效率的困境，而工业上合成氨的Haber-Bosch工艺更是消耗大量能源且排放大量二氧化碳。与此同时，含硝酸盐的废水污染环境，海量的生物质资源也未被充分利用。研究团队另辟蹊径，设计了一套集成硝酸根还原反应（NO₃RR）和生物质氧化反应的共电解系统。这套系统以CuNi合金作为阴阳两极的催化剂，实现了“变废为宝”的华丽转身。

CuNi合金催化剂：阴阳两极的“全能选手”

在阴极，CuNi合金展现出卓越的硝酸根还原性能。在0 V vs RHE时，氨的产率达到2.87 mmol h^–1 cm^–2 (8.44 mmol h^–1 mg_cat^–1)，在–0.2 V vs. RHE 时，法拉第效率（FE）高达95.33%，电流密度为–136 mA cm^–2。机理研究表明Cu中心能快速将NO₃^–转化为NO₂^–，而Ni位点则促进水的解离，生成*H物种，进而通过逐步质子转移过程，为中间产物的脱氧与加氢反应提供必要的支持。这种双活性位点的协同作用显著提升了氨的合成效率。

在阳极，CuNi合金同样表现出色。它能高效催化C₂~C₆生物质衍生物（乙二醇、甘油、赤藓糖醇、木糖和山梨糖醇）的氧化升级，生成甲酸的FE超过90%，且具有超过240小时的长期稳定性。原位拉曼实验表明，Cu显著提高了CuNi催化剂上Ni^III―O活性物种的动态转化效率，这正是其高效催化生物质氧化的关键原因。

集成系统：高效稳定，优势显著

将阴极的硝酸根还原反应和阳极的甘油氧化反应集成后，系统展现出高效且稳定的电合成性能，运行时间超过120小时。氨的产率约为3.9 mmol h^–1 cm^–2（11.47 mmol h^–1 mg_cat^–1），甲酸的产率约为38.3 mmol h^–1 cm^–2（112.65 mmol h^–1 mg_cat^–）。与传统的水电解系统相比，这个集成系统优势明显，大大降低了能耗。此外，该系统能够同时处理两种废弃物，并联产两种高附加值化学品，具有良好的环境与经济效益。

图1. 电催化硝酸根还原反应||甘油氧化反应集成系统

深远意义与应用前景

这项研究为电催化精炼废原料生产大宗商品化学品提供了新思路。氨是重要的化肥和化工原料，而甲酸则作为一种优异的氢能源载体，在市场上均具有广阔的需求前景。该系统的长期稳定性也为实际应用奠定了基础，240小时以上的阳极稳定性和120小时以上的集成系统稳定性，证明了其工业化应用的潜力。未来，随着这项技术的进一步优化和推广，我们有望看到更多的废水和生物质废弃物得到资源化利用，为实现碳中和目标和循环经济模式贡献重要力量。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c05973

（通讯员：李雨禅）