氨作为国民经济中重要的基础化工原料，同时也是未来可再生能源体系中备受关注的潜在零碳能源载体，其绿色可持续制备技术对实现“双碳目标”具有关键意义。然而，传统哈柏–博施工艺依赖高温高压及化石能源供氢，使其能耗与碳排放难以满足未来的发展需求。电化学途径通过可再生能源驱动水分解供氢，可在常温常压下实现氨的合成。特别是硝酸盐（NO₃⁻）因其更低的活化能垒、良好的水溶性以及在工业废水中的广泛存在，使其成为同时兼具环境治理与资源化利用的重要技术路径。然而，NO3⁻RR 涉及复杂的多电子转移过程，多个含氮中间体（如 NO3⁻、NO2⁻、NO、NH2OH 等）具有不同的吸附特性与氢化需求，使得常规催化剂难以兼具高效脱氧能力与精准氢化能力。此外，氢析出反应（HER）作为竞争反应，会进一步削弱 NO3⁻RR 的效率。如何在单一催化剂体系中同时满足“高效 NOx吸附/活化”与“持续 *H 供给”，成为该领域长期存在的核心科学难题。
中国科学技术大学陈维教授团队依托合肥光源红外谱学与显微成像线站发展的原位显微电化学红外光谱技术，在电催化硝酸盐合成氨领域取得新进展。本研究通过构筑具有强界面耦合与功能分区特征的Fe单原子Ru纳米颗粒集成级联催化体系，成功打破了硝酸盐电还原中中间体转化与氢物种供给不匹配的固有限制，实现了在低电位条件下的高效率、高选择性氨生成。研究不仅通过 operando 光谱与理论计算建立了完整的反应机制证据链，也为多步多电子反应体系的催化剂设计提供了具有普适意义的思路。
研究团队利用原位显微电化学红外光谱技术，实时捕捉硝酸盐还原过程中催化剂表面中间体的动态变化。光谱结果显示，不同催化体系中NO2-、−NH及Ru-H等特征信号随电位发生显著演化，直观反映了反应路径与动力学差异。
研究发现，引入Ru纳米颗粒后，NO2-中间体信号显著减弱，而−NH相关峰明显增强，表明硝酸盐衍生中间体的氢化过程得到有效促进。与此同时，Ru–H信号的出现揭示了Ru 位点在活性氢生成与传递中的关键作用。该研究通过原位红外光谱证据阐明了Ru–Fe双活性位点协同调控活性氢行为的机制，为高效硝酸盐还原催化剂的设计提供了新的实验支撑。
图1. 在氩饱和1 M KOH + 0.1 M KNO₃电解液中进行NO3⁻还原反应时，不同施加电位下(g) RuNP@FeSA-N-C、(h) Ru NPs及(i) FeSA-N-C的Operando FTIR谱图。
相关研究成果以“Integrated cascade catalysts for electrochemical nitrate reduction to ammonia”发表在国际著名学术期刊《J. Am. Chem. Soc.》上。
