近日，电子科技大学基础与前沿研究院董帆教授、隆昶副研究员团队在电催化硝酸根还原领域取得重要进展。针对电催化硝酸根还原反应（NO3−RR）中双金属体系普遍存在的“同分不同效”科学难题，通过精准调控CuPd表面局域原子排布，从原子尺度破译了催化剂表界面基序主导的构效关系，实现了N2与NH3产物的可控切换。相关成果以“Switching N-N versus N-H Couplings in Nitrate Electroreduction with CuPd Surface Atomic Motifs”为题发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。基础院硕士研究生吴珂颖为论文第一作者，董帆教授与隆昶副研究员为论文共同通讯作者，电子科技大学基础与前沿研究院为论文第一单位。该研究受到国家自然科学基金委、四川省人社厅、四川省科技厅等资助，在材料表征方面得到电子科技大学分析测试中心、德国DESY、上海光源的大力支持。
NO3−RR能够将环境污染物硝酸根转化为无害的氮气（N2）或高附加值能源分子氨（NH3），为工业废水过量排放的硝酸盐治理提供极具前景的解决方案。双金属催化剂（如CuPd）因在该类反应中表现出优异的催化活性而备受关注。然而，即便组分相近的双金属催化剂，其产物分布也时常存在显著差异。这一“同分不同效”现象严重制约了催化剂的理性设计乃至反应选择性的精准调控，其核心原因在于：当前对催化剂表面原子级结构如何干预关键中间体的吸附行为，进而影响后续N-N或N-H偶联路径的表界面化学机制仍缺乏深入认识（图1）。
图1 从表面原子排列差异解析CuPd双金属催化剂的“同分不同效”现象
针对这一挑战，研究团队以CuPd双金属催化剂为模型，通过精细的原子排布工程，构筑了两类具有特定原子基序的体系：一是表面具有Cu、Pd异质原子交替构型的有序相（ordered CuPd，o-CuPd）；二是表面由Cu、Pd同质原子偏聚形成的偏析相（phase-segregated CuPd，p-CuPd）。实验结果表明，在NO3−RR过程中，o-CuPd可高效驱动N2生成，其最高法拉第效率（FE）达95%，而p-CuPd则显著偏好NH3生成，峰值FE达84%。结合多种原位表征技术及DFT计算，研究团队进一步揭示了催化剂表面对关键中间体（*NO与*N）吸附强度的线性标度关系。表面原子排布的差异本质上调节了这些中间体的吸附行为，由此驱动反应沿N-N偶联或N-H偶联路径进行，实现了产物在N2和NH3之间的精准切换（图2）。这种基于表面原子基序的全新认知，不仅成功调和了以往文献中关于相似组分CuPd催化剂在NO3−RR中产物选择性截然不同的争议，更从原子层面阐明了表面原子排布对反应路径的制约规律，为过量排放的硝酸盐净化与资源化提供了关键的理论依据与设计范式。
图2 CuPd催化剂局域原子基序表征及其调控NO3−RR选择性的机理研究
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https://doi.org/10.1002/anie.202524218
