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近日，重庆大学黄建峰教授课题组在J. Am. Chem. Soc.期刊上发表了题为“Engineering Cu/Ru Heterointerface-Shelled Nanocavities by the Kirkendall Effect for Highly Efficient Nitrate Electroreduction to Ammonia”的研究论文（DOI：10.1021/jacs.5c11097）。

该文章介绍了一种通过柯肯达尔效应构筑的Cu/Ru异质界面空心纳米结构催化剂。该结构利用界面效应、串联催化和纳米限域的协同作用，有效降低了硝酸盐电还原制氨过程中的能垒并加快中间体转化。在eNO₃RR制NH₃反应过程中，该催化剂实现了高达97.4%的法拉第效率、152.6 mg h⁻¹ mgmetal⁻¹的产率和40%的能效，性能在电催化领域达到领先水平。研究不仅揭示了Cu/Ru界面的活性本质和机理，还提出了一种通用的设计策略，为开发高效可持续的电催化转化体系提供了新思路。

值得关注的是，该研究中关于催化剂电子结构演变、界面电荷转移及反应机理的深入分析，均依赖于安徽吸收谱仪器设备有限公司提供的RapidXAFS台式X射线吸收精细结构谱仪完成。该仪器在实验室常规环境下实现了同步辐射级别的XAFS数据质量，为揭示Cu/Ru异质界面的活性来源提供了关键实验支撑。

背景介绍

电化学硝酸盐还原反应（eNO₃RR）制NH₃，在常温条件下运行并由可再生电力驱动，正受到越来越多的研究关注。这一过程不仅为氨合成提供了一条可持续路径，同时也是一种环境友好的硝酸盐治理策略，在能源转化和环境保护方面都具有双重意义。然而，该反应涉及多步质子–电子转移过程，副产物复杂（NO₂⁻、N₂、NH₂OH等），加之析氢反应（HER）竞争，导致选择性和能效一直难以突破。设计高效、稳定的电催化剂是解决这一难题的核心。

本文亮点

图文解析

图1展示了Cu/Ru空心异质结构的反应机理及DFT计算结果。通过DFT分析发现，Cu–Ru界面位点（i-CuRu）具有最低的反应能垒，是最优活性中心；Cu位点倾向生成并释放NO₂⁻，而Ru位点则有利于其进一步还原为NH₃。结合空心腔体对NO₂⁻的限域富集作用，反应得以在界面主导、串联催化和纳米限域效应的三重协同下高效进行，从而显著加速了NO₃⁻ → NH₃的转化过程。

Cu@Ru核壳结构在不同温度退火处理下，通过柯肯达尔效应演化为多种 Cu/Ru异质结构的过程。图2a用示意图说明了合成路线，图2b的TEM照片直观展示了结构从实心核壳 → 空心异质结构 → 高温下的相分离的逐步转变。结果表明，在300 °C时形成了最优的空心结构和高密度异质界面，为提升电催化性能奠定了基础。

图3展示了Cu/Ru-300的微观结构表征，其中图3a、3b的TEM与HAADF-STEM图像直观显示了颗粒内部的空心腔体和不规则壳层；图3c–3g的高分辨成像及FFT分析进一步确认了Cu与Ru纳米晶域的共存，并在界面处形成了丰富的异质结构；同时，图3h–3l的EDS mapping和线扫结果表明Cu与Ru元素主要分布在壳层区域，而腔体中心元素含量明显较低，从而全面验证了Cu/Ru-300中空心结构与丰富异质界面的成功构筑。