近日，BL01B线站用户上海交通大学刘加勋团队在高效电催化还原硝酸盐合成氨领域取得重要进展。该团队成功设计并制备了结晶度可调的二维氮掺杂碳载体，并与铁单原子及γ-Fe₂O₃纳米颗粒复合，系统研究了碳载体结晶度对催化剂活性与选择性的调控机制，并创新性地实现了烟气氮氧化物向硝酸盐的直接转化，为可持续氨合成及燃煤清洁利用提供了全新的绿色循环路径。该工作以“Tunable-crystallinity N-doped carbon supports synergizing with Fe active sites for efficient nitrate electroreduction”为题发表在国际权威期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上。

该研究采用柠檬酸-乙二胺前驱体梯度热解的方法，精准调控二维碳材料的结晶度，并借助简便的一锅法同步负载铁活性物种。研究发现，碳载体的结晶度显著影响铁物种的配位环境：800℃热解所得低结晶度碳载体具有丰富缺陷与微孔结构，能稳定锚定高密度Fe-N位点；而1000℃热解形成的高结晶度“洋葱状”石墨碳网络则具有优异导电性，并促进γ-Fe₂O₃活性晶面的暴露。

电化学测试揭示出独特的电位依赖性能反转现象：在-0.5 V（vs. RHE）低电位下，800℃样品因其高比表面积和丰富活性位点表现出优异的法拉第效率与氨产率；而在-0.7 V高电位下，1000℃样品凭借高效的电子传输能力，实现了90.6%的法拉第效率与28.1 mg h^-1 mgcat^-1的氨产率。结合差分电化学质谱与理论计算，研究进一步揭示了γ-Fe₂O₃（001）晶面与Fe-N-C位点协同催化*HNO加氢步骤的机制，显著降低了决速步能垒。

此外，团队开发了一种基于微纳米气泡增强·OH氧化的创新技术，可将烟气中氮氧化物直接转化为硝酸盐，转化效率达24%，为电催化还原过程提供了可持续的硝酸盐原料来源。该工作构建了“烟气–硝酸盐–氨–混燃”的清洁燃煤绿色闭路循环，实现了碳氮协同减排。

图1 图文摘要

在该工作中，研究团队利用BL01B线站的原位红外设备，对柠檬酸-乙二胺前驱体（CE）在程序升温热解过程中的化学变化进行了实时、原位监测，获取了从室温至高温全过程的连续红外光谱数据。基于BL01B线站提供的精准动态光谱数据，该工作明确了CE前驱体生长过程中官能团演变的温度分区：数据分析清晰揭示，在200–400°C阶段，归属于N-H/O-H及羧基O-H的振动信号显著衰减，表明此阶段主要发生脱水及脱羧/脱胺反应。而在400–600°C关键区间，C=O、C=C等信号的衰减与芳香结构的形成同步，标志着芳构化反应启动与碳骨架重组的开始。同时，由BL01B原位红外数据得出的官能团演变规律，与同步获得的热重-质谱（TGA-MS）分析中CO₂释放信号以及差示热重（DTG）曲线上的特征峰（408°C）高度吻合、相互印证，共同确证了碳骨架重组是该温区的主导过程，使反应机理的阐释更为坚实。

图2 CE在加热生长过程中的红外光谱图（a离线；b原位）

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.126223