目前，水中NO₃^?的過量積累擾亂了全球氮循環(huán)，造成飲用水資源中嚴重的硝酸鹽污染，嚴重影響了公共衛(wèi)生和自然生態(tài)系統(tǒng)。電催化硝酸根還原(NO₃^?RR)技術由于能夠去除有害硝酸鹽和生產(chǎn)高附加值產(chǎn)物受到人們廣泛的關注。

然而，催化劑耐久性差和競爭性析氫反應嚴重阻礙了NO₃^?RR的實際應用。根據(jù)文獻報道，電催化界面的設計顯著地影響了電催化劑的固有催化活性。因此，了解電催化NO₃^?RR反應的界面化學性質(zhì)是設計高效催化劑的前提。

基于此，東華大學楊建平和上海師范大學張蝶青等通過聚多巴胺(PDA)修飾的Fe₂O₃原位硝化，合成了N摻雜碳涂層的水稻狀Fe₂N催化劑(RL-Fe₂N@NC)，其能夠有效電催化NO₃^?還原為N₂。

結果表明，所制備的RL-Fe₂N@NC催化劑具有極高的NO₃^?轉(zhuǎn)化率(高達86%)，并且N₂的選擇性接近100%；此外，由于RL-Fe₂N@NC具有耐腐蝕的Fe₂N核和牢固的的導電N摻雜碳殼，其還具有良好的長期催化穩(wěn)定性(經(jīng)過40個循環(huán)后的NO₃^?去除率為第1個循環(huán)的82%)。

采用原位差分電化學質(zhì)譜(DEMS)、電子自旋共振(ESR)和同位素標記法，以及密度泛函理論(DFT)計算表明，RL-Fe₂N@NC的高催化性能可以歸因于其碳涂層和Fe物種電子結構的氮化調(diào)節(jié)，這增強了活性氫的吸附和利用，提高了含氮中間體的吸附和解吸，抑制了競爭性析氫反應的發(fā)生，提高了反應的選擇性，從而表現(xiàn)出良好的電催化NO₃^?RR性能。

總的來說，該項工作所提出的界面設計策略有助于進一步研究分析電催化NO₃^?RR的界面化學行為，同時也能指導催化劑-界面設計的優(yōu)化和推動NO₃^?RR的實際應用。

Modulating the Active Hydrogen Adsorption on Fe-N Interface for Boosted Electrocatalytic Nitrate Reduction with Ultra-long Stability. Advanced Materials, 2023. DOI: 10.1002/adma.202304695