近日，化学与材料工程学院王靖团队晏晓东副教授与南方科技大学曾林教授团队、东方理工大学张文达博士、波多黎各大学徐亮亮博士等在电催化合成氨与析氯技术领域取得关键进展，研究成果分别发表在《Angewandte Chemie International Edition》（DOI: 10.1002/anie.202525457）与《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202518684）上。第一作者分别为太阳城大学化工学院博士研究生巩青娜和硕士研究生张祥坤。
随着农业肥料和清洁能源载体氨的需求日益增长，传统合成氨工艺的高能耗、高排放问题愈发凸显。电化学硝酸还原（NO3RR）能够在常温常压下将硝酸盐转化为氨，是一种极具潜力的替代路线，但其反应动力学缓慢，且易受析氢反应干扰，亟需高效稳定的电催化剂。为此，本研究开发了富氧空位的黑色CoWO4（B-CoWO4）催化剂。实验表明，该催化剂在0 V vs. RHE 的超低电位下可实现约1.25 A cm-2的电流密度。通过原位表征发现，NO3RR过程中氧空位呈现出动态的“填充-复现”循环机制，即NO₃⁻中的氧原子可嵌入氧空位，随后在NH3生成时空位得以再生，从而持续推动反应高效进行。进一步，在硝酸还原与尿素氧化（UOR）耦合的电解体系（NO3RR||UOR，图1）中，B-CoWO4在流动电解槽内实现了173%的表观双极氨法拉第效率与9.43 mmol h-1 cm-2的产氨速率。技术经济分析表明，该工艺每生产1吨氨可净收益约595美元，为“废水处理与分布式绿氨生产”提供了一条经济可行、可持续扩展的技术路径。
氯气是医药、水处理等领域的关键化学品，目前主要通过氯碱工艺中的电催化氯析出反应（CER）来制备。尽管CER在动力学上具有优势，但现有催化剂在酸性条件下往往活性不足、稳定性差，而常用尺寸稳定阳极又依赖贵金属，成本高且效率有限。针对上述问题，本研究合成了三种不同晶面取向的Co3O4催化剂：Co3O4-[110]、Co3O4-[100]和Co3O4-[111]。其中，Co3O4-[110]表面富含八面体配位氧（OOCT），在CER中表现出最优的性能，仅需95 mV过电位即可达到10 mA cm-2，并能稳定运行超过80小时。研究首次将弛豫时间分布（DRT）技术应用于CER过程分析，发现Co3O4-[110]在相同电位下具有最低的主导阻抗（EIS），且物理传质过程控制反应起始阶段。理论计算进一步揭示OOCT为CER的关键活性位点，不同晶面在电导率、氯吸附能力及电子转移效率方面的差异共同决定了其催化性能与稳定性。该研究不仅深化了对CER机理的理解（图2），也为设计无贵金属、高性能析氯电解催化剂提供了新思路，助力电化学工业向更可持续方向发展。
图1 NO₃RR||UOR耦合系统的双极产氨示意图
图2 Co3O4-[110]在析氯反应中的机理示意图
