人們過度使用含氮化肥和污水排放產生的過量NO₃^?離子嚴重干擾了自然的氮循環。在已報道的硝酸鹽去除技術中，可再生電能驅動的硝酸鹽還原為氨(NRA)由于利用水作為氫源和電子作為還原劑而具有良好的應用前景。目前已經開發了各種策略來提高NRA性能，并且大多數報道的催化劑對于高濃度(>100 mM) NO₃^?鹽還原顯示出高的法拉第效率和氨產率。

然而，由于工作電極附近NO₃^?的遷移受限和競爭性析氫反應的存在，低濃度NO₃^?(≤10 mM)的有效電還原仍然是一個重大挑戰。因此，研究打破陰極表面傳質限制、延緩競爭HER反應的策略，對于實現低濃度NO₃^?高效電還原制NH₃具有重要意義。

近日，天津大學于一夫和北京科技大學魯啟鵬等采用碳負載的RuIn₃金屬間化合物(RuIn₃/C)作為模型催化劑，系統地論證了脈沖電位在提高低濃度(≤10 mM) NO₃^?電催化還原為NH₃的性能方面的優勢。結果表明，在脈沖條件下，RuIn₃/C的NH₃法拉第效率為97.6%，產率為2.7 mmol^-1 h^-1 mg_Ru^-1，NO₃^?轉化率為96.4%，明顯優于恒電位法(NH₃法拉第效率為65.8%，產率為1.1 mmol^-1 h^-1 mg_Ru^-1，NO₃^?轉化率為54.1%)。

此外，在脈沖條件下，NO₃^?濃度可連續降至0.35 mM，低于排放標準(≤0.81 mM)；對于恒電位條件，殘留NO₃^?濃度遠高于排放標準。更重要的是，脈沖測試前后材料的雙電層電容分別為5.63和5.95 mF cm^-2，表明由脈沖電位引起的表面重建可以忽略。

原位表征和有限元分析結果表明，在恒電位和脈沖條件下，RuIn₃/C中的活性物種均為Ru⁰，并且脈沖電解促進了NO₃^?在電極附近的積累，形成了頂部吸收構型的活躍的*NO中間產物；還有就是，在脈沖NRA過程中H₂的產生被抑制，這協同促進了低濃度NO₃^?還原為氨。

總的來說，該項研究為反應過程的合理設計和精確控制提供了一種有效的方法，可將其擴展到更廣泛的催化應用領域。

Pulsed electroreduction of low-concentration nitrate to ammonia. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-43179-1