氨作為一種重要的化工原料，在農業和制藥工業中發揮著至關重要的作用，并因其具有高能量密度（4.3 kWh kg^-1）等優點而有望成為下一代的能源載體。相比于電催化氮還原合成氨（NRR）過程，溫和條件下電催化硝酸根還原（NO₃RR）合成氨反應具有更快的反應動力學。然而該反應面臨著中間產物多、析氫反應競爭導致較低法拉第效率等難題，此外電解器的理性設計對于提高NO₃RR性能及其工業放大應用具有重要意義。構筑異質界面被認為是改變催化劑電子結構及活性位點的有效方法之一，其中過渡金屬磷化物因其特殊的電催化活性和優異的導電性備受關注，然而雙金屬磷化物界面效應對NO₃RR反應選擇性的調控機制尚不明晰，仍需進一步的探究。

基于此，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所環境與能源納米材料中心采用簡單的氣相水熱合成法，在碳紙上原位生長了異質雙金屬磷化物催化劑（Cu₃P-Ni₂P/CP-x，x代表Cu₃P和Ni₂P的摩爾比）用于電催化NO₃RR性能研究。Cu₃P和Ni₂P的摩爾比為0.5（Cu₃P-Ni₂P/CP-0.5）催化劑具有優異的NO₃RR性能，在?0.6 V（vs. RHE）電位下、0.5 M Na₂SO₄溶液中，氨產率為3.21 ± 0.44 mg h^?1 cm^?2，法拉第效率（FE）為95.25±2.83%。隨后將其組裝到膜電極電解器中，在反應溫度為55℃、槽電壓為2.6 V時具有最優的NO3RR性能，氨產率為1.9 mmol h^?1 cm^?2。理論計算和原位紅外光譜結果顯示Cu₃P-Ni₂P/CP-0.5催化劑中的異質界面有利于促進NO₃^–吸附與活化，NO₃^–可能通過連續加氫脫氧路徑轉化為NH₃。

圖1 （a）Cu₃P-Ni₂P-0.5不同轉速下LSV曲線。（b）Koutécky-Levich（K-L）曲線。（c）轉移電子數（d）不同溫度下電壓與電流之間的關系圖。不同溫度測試條件下（e）法拉第效率、（f）氨產率與電壓之間的關系。（g）穩定性測試。（h）膜電極電解器裝置示意圖。

圖2?NO₃^–吸附在Cu₃P-Ni₂P-0.5催化劑上的結構示意圖（a）俯視圖（b）側視圖。（c）NO₃^–吸附自由能。（d）HER反應自由能。（e）Cu₃P-Ni₂P/CP-0.5催化劑在不同電位下原位ATR-IRRAS光譜圖。（f）在-0.6 V（vs. RHE）電位下，原位ATR-IRRAS隨時間變化的光譜圖。

張海民，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員，博士生導師。2006-2014期間，在澳大利亞格里菲斯大學先后做訪問學者、博士后、研究員工作；2015年1月加入中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所。主要從事生物質碳基材料的制備及其環境與能源應用方面的研究。迄今為止，已在Nat. Sustain.、Energy & Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Nano Energy、ACS Energy Lett.、Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、EES Catal.、Nano Res.、National Sci. Rev.、Sci. Bull.等國際知名期刊發表SCI論文260余篇，獲授權國家發明專利10余項。

Jin M, Liu J, Zhang X, et al. Heterostructure Cu₃P-Ni₂P/CP catalyst assembled membrane electrode for high-efficiency electrocatalytic nitrate to ammonia. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6474-z.