目前，氨的工業生產依然依賴于能量密集型的Haber-Bosch工藝。其高能耗（占全球總能耗的1%~2%）高排放（溫室氣體CO₂的排放量占全球總排放量的1.5%）的特性已不符合當今社會對“碳達峰、碳中和”目標的追求。在眾多常溫常壓下合成氨的技術中，電催化酸鹽合成氨（NO₃RR）具有反應條件溫和、電位可控、催化效率高、綠色環保以及受環境因素干擾小等優點，因此有望成為最有前途的替代Haber-Bosch工藝的方案。

在各類催化材料中，銅基催化劑因其具有優異的吸附NO3￣以及催化NO3￣轉化為NO2￣的能力而被廣泛地應用于電催化硝酸鹽合成氨（NO3RR）。然而，銅基催化劑的一個顯著缺點是氫化過程緩慢。此外，要使NO3RR過程中的每一類中間體在銅基催化劑的表面達到最佳的吸附狀態也是一項挑戰，這是因為優化一種中間體的吸附通常會使其他中間體偏離最佳吸附狀態。不幸的是，銅基催化劑對NO3RR的活性和選擇性在很大程度上取決于中間體在催化表面上的吸附能和催化表面上氫化步驟的動力學。鑒于“定向進化”策略能夠針對特定的反應條件和底物使催化劑自我演化出有利于催化反應的表面結構和組分，我們基于此策略設計了Cu/Cu2O/Pi NWs催化劑，以實現NO3￣的高效還原。得益于定向進化過程中形成的富氧空位的Cu2O相與原始Cu相的協同作用，該催化劑表現出對NO3RR中間體的優異的吸附能力。此外，定向進化過程中錨定在催化劑表面的磷酸基團有利于促進水的電解，從而在催化劑表面產生Hads，促進NO3RR的加氫步驟。結果表明，在1 M KOH和0.1 M KNO3溶液中，?0.5 V vs. RHE下，Cu/Cu2O/Pi NWs催化劑具有優異的產氨法拉第效率（FE，96.6%)和超高的產氨產率(1.2 mol h?1 gcat?1)。此外，磷酸基團對Cu2O相的穩定作用增強了催化劑的穩定性。這項工作為高效電催化劑的制備和開發提供了一種新的設計思路。

銅基催化劑定向進化及對NO3RR促進作用的示意圖

相關研究成果以《Electrical-Driven Directed-Evolution of Copper Nanowires Catalysts for Efficient Nitrate Reduction to Ammonia》為題發表在國際著名期刊《Small》（IF:13.3）上。溫州大學2020級研究生羅文杰和2022級研究生郭澤佚為第一作者，我院楊植教授、聶華貴教授、葛勇杰副研究員和貫佳副教授為共同通訊作者。