人們過度使用含氮化肥和污水排放產(chǎn)生的過量NO₃^?離子嚴(yán)重干擾了自然的氮循環(huán)。在已報(bào)道的硝酸鹽去除技術(shù)中，可再生電能驅(qū)動(dòng)的硝酸鹽還原為氨(NRA)由于利用水作為氫源和電子作為還原劑而具有良好的應(yīng)用前景。目前已經(jīng)開發(fā)了各種策略來提高NRA性能，并且大多數(shù)報(bào)道的催化劑對(duì)于高濃度(>100 mM) NO₃^?鹽還原顯示出高的法拉第效率和氨產(chǎn)率。

然而，由于工作電極附近NO₃^?的遷移受限和競(jìng)爭(zhēng)性析氫反應(yīng)的存在，低濃度NO₃^?(≤10 mM)的有效電還原仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。因此，研究打破陰極表面?zhèn)髻|(zhì)限制、延緩競(jìng)爭(zhēng)HER反應(yīng)的策略，對(duì)于實(shí)現(xiàn)低濃度NO₃^?高效電還原制NH₃具有重要意義。

近日，天津大學(xué)于一夫和北京科技大學(xué)魯啟鵬等采用碳負(fù)載的RuIn₃金屬間化合物(RuIn₃/C)作為模型催化劑，系統(tǒng)地論證了脈沖電位在提高低濃度(≤10 mM) NO₃^?電催化還原為NH₃的性能方面的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明，在脈沖條件下，RuIn₃/C的NH₃法拉第效率為97.6%，產(chǎn)率為2.7 mmol^-1 h^-1 mg_Ru^-1，NO₃^?轉(zhuǎn)化率為96.4%，明顯優(yōu)于恒電位法(NH₃法拉第效率為65.8%，產(chǎn)率為1.1 mmol^-1 h^-1 mg_Ru^-1，NO₃^?轉(zhuǎn)化率為54.1%)。

此外，在脈沖條件下，NO₃^?濃度可連續(xù)降至0.35 mM，低于排放標(biāo)準(zhǔn)(≤0.81 mM)；對(duì)于恒電位條件，殘留NO₃^?濃度遠(yuǎn)高于排放標(biāo)準(zhǔn)。更重要的是，脈沖測(cè)試前后材料的雙電層電容分別為5.63和5.95 mF cm^-2，表明由脈沖電位引起的表面重建可以忽略。

原位表征和有限元分析結(jié)果表明，在恒電位和脈沖條件下，RuIn₃/C中的活性物種均為Ru⁰，并且脈沖電解促進(jìn)了NO₃^?在電極附近的積累，形成了頂部吸收構(gòu)型的活躍的*NO中間產(chǎn)物；還有就是，在脈沖NRA過程中H₂的產(chǎn)生被抑制，這協(xié)同促進(jìn)了低濃度NO₃^?還原為氨。

總的來說，該項(xiàng)研究為反應(yīng)過程的合理設(shè)計(jì)和精確控制提供了一種有效的方法，可將其擴(kuò)展到更廣泛的催化應(yīng)用領(lǐng)域。

Pulsed electroreduction of low-concentration nitrate to ammonia. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-43179-1