第一作者：李家伟
通讯作者：周伟家，黄曼，谭华
第一单位：济南大学
1、研究背景
工业和农业来源的硝酸盐（NO3−）污染对水质和人类健康构成重大威胁。电催化硝酸根还原反应（NIRR）将硝酸根转化为高价值氨（NH3），为处理含硝酸根废水提供了一种有效的方法，同时解决了能源相关的挑战。近年来，在硝酸根电催化剂不断发展的鼓舞下，基于硝酸还原反应的串联协同加氢催化受到广泛关注。通过将硝酸根活化位点与加氢位点耦联，串联催化位点可以显著加快NIRR的反应动力学。然而，要阐明在串联系统中结合不同串联催化位点如何同时提高选择性和活性，还需要更深入的理解。因此，串联催化位点策略将为硝酸根还原反应研究的可持续发展提供有价值的见解。
2、全文速览
本综述概述了硝酸盐还原反应中串联催化剂的常见设计原则与材料分类框架。其次，将这类催化剂分为合金催化剂、异质结构催化剂和单原子催化剂系统分析了代表性实例的具体串联催化过程。再次，我们讨论了硝酸盐还原反应的原位及准原位光谱研究，这些研究揭示了串联催化的机理细节。最后，总结了硝酸盐还原反应在处理含硝酸盐废水、合成氨及发电领域的应用与经济性分析。此外，我们对硝酸盐还原反应的未来发展方向进行了展望，包括硝酸盐废水处理、氨合成、环境催化液流电池及经济可行性分析。本综述中提出的串联催化位点策略对硝酸盐还原反应的发展具有重要的指导意义。
图1. 硝酸根还原反应中串联催化剂的分类原理图。
3、图文解析
要点1：硝酸根还原反应的串联催化位点
文章总结了硝酸根还原反应中串联催化位点的作用机理，硝酸根还原反应的串联催化剂大致可分为三大类：合金催化剂、异质结构催化剂和单原子。这些分类凸显了结构与性能之间关键的相互依存关系，而这种关系对于平衡活性、选择性和稳定性至关重要。
要点2：硝酸根还原反应的原位/准原位光谱学研究
文章总结了原位/准原位光谱技术表征反应中间体和串联催化位点的应用，建立了催化位点性质、中间体行为与产物生成之间的关联，为高性能硝酸根还原反应催化剂的合理设计奠定了坚实基础。
要点3：硝酸根还原反应的潜在应用
文章总结了硝酸根还原反应的潜在应用，指出了硝酸根还原反应在废水处理、可持续氨合成及能量转换领域的应用与经济分析，为后续研究硝酸根还原反应的应用提供了重要的研究思路。
要点4：总结与展望
本综述系统总结了串联催化剂的设计原则、机理认知及最新研究进展，涵盖合金、异质结构和单原子体系。原位/准原位表征技术已被证实是阐明动态反应路径和中间体转化的不可或缺的工具。除基础研究进展外，该技术在废水处理、氨合成及硝酸盐金属电池中的实际应用与经济性分析，展现了环境修复与资源回收的双重优势。然而，仍有几个问题需要解决：
（1）电催化硝酸根还原处理废水中，需实现总氮高效去除，仅还原硝酸根易留残余氮并生成致癌等有害物质；实际废水成分复杂，共存污染物易毒化催化剂或产生难降解副产物；低浓度下反应动力学缓慢、选择性差，相关影响机制研究仍不足。
（2）高附加值合成氨面临的问题，一是氨的分离提纯，此环节是关键瓶颈，若分离不力，残留氨与副产物会引发二次环境风险，还会降低下游应用的质量与安全性，亟待研发低成本高效分离方案；二是高浓度废水处理难题，高浓度硝酸盐易使催化剂中毒，破坏氢转移过程，严重影响催化性能，需明确该工况下反应机理与催化剂失活路径以优化催化剂。
（3）环境催化流电池面临的问题。功率密度仍不足以满足实际应用需求，硝酸根还原催化剂性能不佳的根本原因尚未完全明确，阴极充电反应本质模糊。阳极存在析氢副反应、锌铝等金属表面钝化及严重自放电问题，阻碍安培级氨合成。高浓度硝酸盐废水处理中，催化剂易受中毒影响，氢转移过程受阻。此外，氨的高效分离提纯及复杂电解液中分离机制研究不足，这些均为其规模化应用的核心瓶颈。
通讯作者简介：
周伟家，济南大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，院长，学科带头人，国家优秀青年基金获得者，山东省泰山特聘专家和青年专家，山东省、广东省杰出青年基金获得者。国家重点研发计划课题和山东省重大基础项目负责人。主要从事激光微区合成与催化位点调控研究，在催化电池等方面取得一系列研究成果，以第一或通讯作者在Energy Environ. Sci., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等期刊发表SCI收录论文150余篇，被他引24000余次；Sci.bull.、物理化学学报、SusMat、Nano-MicroLett.青年编委和交叉学科材料期刊学术编辑；科睿唯安“全球高被引科学家”和爱思唯尔“中国高被引学者”；授权发明专利30余项；主持国家优秀青年基金（2020），山东省杰出青年基金（2021），山东省泰山学者青年专家计划（2019），山东省重点研发计划（2019）等国家省部级项目12项。获得山东省青年科技奖（2022）、山东省自然科学二等奖（1/6，2024）、山东省自然科学一等奖（3/5，2019）、中国颗粒学会自然科学二等奖（1/5，2023）和中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖（3/6，2024）。
黄曼，济南大学前沿交叉科学研究院学术副教授，硕士生导师，研究方向聚焦功能材料的设计与合成，具体应用于电催化硝酸盐还原合成氨反应及催化电池系统领域。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun. (1篇), Adv. Mater. (1篇), Adv. Energy Mater. (3篇), J. Mater. Chem. A (2 篇), Small (4 篇), J. Energy Chem. (1 篇), Sci China Mater.等学术期刊上发表论文 17篇，其中一区15篇，1 篇论文入选 ESI 高被引论文，单篇最高他引 373次。申请专利10件，其中授权发明专利5件，实用新型1件。主持了国家自然科学基金1项，山东省自然科学青年基金1项，山东省自然科学基金面上项目1项，国家博士后面上项目1项，山东省博士后创新项目1项。
谭华，谭华，教授，山东省泰山学者青年专家，山东省优青(海外）。主要从事先进微纳材料的结构设计与调控并应用于水系储能电池、退役电池修复等领域。在Adv. Energy Mater., Mater. Today., Nat. Commun.等国际期刊上发表高水平论文30余篇。主持国家自然科学基金青年基金，山东省优青(海外）项目、山东省青年泰山项目、山东省自然科学基金青年项目等多项科研项目。获授权中国发明专利14项，中国商业联合会科学技术奖三等奖等。目前为Eco-Environment & Health、Energy Lab青年编委。
