近几十年来，由于工业、农业和生活污水的排放以及化肥和农药使用，地表水和地下水中的硝酸盐污染逐渐加剧。另外，氨作为重要的化学肥料，主要通过Haber-Bosch法生产，这种方式消耗了全球大约1-2%的能源，且排放了等量的二氧化碳，加剧了能源危机和温室效应。因此，从污水中去除低浓度的硝酸盐并将其电还原为更高价值的氨变得越来越重要。然而，由于电极区域附近的硝酸盐的缓慢传质和吸附驱动力较弱，导致许多有毒中间体产生和氨选择性较差等问题。

近日，苏州大学的路建美教授和贺竞辉教授构建的含有内建电场的电催化剂可以在电催化剂表面区域附近显著积累更高浓度的NO₃^–离子，从而促进NO₃^–传质和吸附，实现超低浓度硝酸根的高效去除和电还原为氨（NO₃RR）。

通过将CuCl（111）和金红石TiO₂（110）层堆叠创建了一个含有内建电场的模型电催化剂（CuCl_BEF）。通过分子动力学模拟和有限元分析，论证了CuCl_BEF电催化剂中的内建电场可以在催化剂表面区域促进更高浓度的NO₃^–离子积累，从而有利于NO₃^–的传质和吸附，在低浓度下高效去除硝酸盐并电催化还原为高价值的氨。密度泛函理论（DFT）和X射线吸收近边结构（XANES）证明了CuCl_BEF内建电场的形成引起了从TiO₂到CuCl的电子转移，提高了关键反应中间体*NO的能量以降低决速步骤的能垒。

同时，通过DEMS原位表征和¹⁵N同位素分析对硝酸根电催化还原氨的中间体和反应路径进行了机理论证。

最后，这种CuCl_BEF电催化剂实现了92.0%的硝酸根转化率和98.6%的氨选择性以及良好的循环稳定性。该工作体现了“强化吸附+催化降解”在环境催化领域的应用，内建电场的强化吸附策略为解决低浓度硝酸根及其他污染物的电催化去除提供了一种新思路。

论文信息：

Built-in Electric Field Triggered Interfacial Accumulation Effect for Efficient Nitrate Removal at Ultra-Low Concentration and Electroreduction to Ammonia

Wu-Ji Sun, Hao-Qin Ji, Lan-Xin Li, Hao-Yu Zhang, Zhen-Kang Wang, Jing-Hui He, Jian-Mei Lu

文章的第一作者是苏州大学的博士生孙无忌，通讯作者是路建美教授和贺竞辉教授。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202109785