近日，上海电机学院集成电路学院韩治亚团队在电催化氮还原反应（NRR）领域取得新进展。团队将共价三嗪框架（CTFs）与杂原子（S/P）共掺杂碳载体有机结合，成功制备了共价三嗪修饰的碳负载Cu单原子催化剂（Cu SA/NSPC），实现了高效的电催化合成氨，并创新性地将NRR与乙二醇氧化反应（EGOR）耦合，显著提升了能量效率与经济性。相关成果以“Electrocatalytic nitrogen fixation and coupling reactions of copper single-atom catalysts”为题发表在Electrochimica Acta 555, 148340 (2026)上。
氨是全球最重要的化工产品之一，既是用量最大的农业肥料，也是新兴的氢储能载体。然而，当前工业合成氨仍依赖高能耗、高碳排放的Haber-Bosch工艺（400–500°C、200–300 atm），年CO₂排放超过3亿吨。电催化氮还原反应（NRR）可在常温常压下以水为质子源将N₂还原为NH₃，是实现绿色合成氨的理想途径，但目前面临N₂活化困难、竞争性析氢反应（HER）严重等核心挑战。
团队创新性地将铜单原子、共价三嗪有机骨架和S/P杂原子共掺杂碳载体三者有机结合，通过热解含铜单原子的聚合物前驱体，制备了具有丰富NSP和NP配位结构的Cu SA/NSPC和Cu SA/NPC催化剂。CTFs中三嗪环上的氮原子为Cu单原子提供了理想的配位锚点，形成了独特的Cu-N配位结构；同时硫的引入促使电子向Cu活性位迁移，有效抑制了HER副反应，并降低了氮气活化的能量消耗。
实验结果表明，Cu SA/NSPC催化剂展现出优异的NRR性能，氨产率达66.87 ± 2.13 μg h⁻¹ mgᶜₐᶛ⁻¹，法拉第效率为33.2 ± 1.4%。在流动电解池中，得益于增强的传质效率和更高的活性位利用率，氨产率进一步提升至242 ± 2.43 μg h⁻¹ mgᶜₐᶛ⁻¹，展示了从H型电解池到流动池的显著放大潜力。
图1. Cu SA/NSPC催化剂的形貌与结构表征。
图2. Cu SA/NSPC催化剂的XRD与XPS谱图分析。
原位拉曼光谱结合DFT计算揭示了NRR的反应路径和速率决定步骤。硫掺杂通过调控Cu活性中心的电子结构，优化了*N₂的吸附能和*N₂→*N₂H初始加氢步骤的能垒，并为反应提供了额外的活性位点。Cu单原子与共价三嗪载体之间的配位结构进一步增强了N₂分子的活化与还原。
图3. Cu SA/NSPC的电催化NRR性能：(a)不同电位下的氨产率与法拉第效率；(b)循环稳定性测试。
为进一步降低系统能耗并提升经济性，团队将NRR与乙二醇氧化反应（EGOR）耦合，以替代传统NRR/OER体系中动力学缓慢的阳极析氧反应。在NRR/EGOR耦合体系中，反应电位较NRR/OER体系降低约30–80 mV，阴极NRR的法拉第效率约40%，同时阳极乙醇酸（GA）产率超过88%，为生物质资源的高效电转化与可再生能源耦合提供了新思路。
图4. NRR/EGOR耦合体系：(a) NRR/EGOR与NRR/OER体系的LSV曲线对比；(b)不同电流密度下的NH₃ FE与GA产率。
该研究创新性地将单原子催化与有机框架材料融合，提出了一种杂原子共掺杂调控单原子催化剂性能的通用策略，为高性能电催化NRR催化剂的设计及其在能源与环境领域的实际应用开辟了新方向。
本研究工作得到了国家自然科学基金委（项目编号22075183、22278269、21975161）、教育部联合基金（项目编号8091B02052304）、上海市产业协同创新项目（项目编号2021-cyxt1-kj37、XTCX-KJ2022-70）、上海市教委科研创新项目（项目编号2023ZKZD54）、上海市自然科学基金项目（项目编号23ZR1425300、22ZR1426100）、上海市技术标准项目（项目编号23DZ2201100），国家大学生创新创业训练计划及山东省高端特种油技术创新中心等基金项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.electacta.2026.148340