山西
氮循環是維持生態穩定的重要基礎，工農業廢水過量排放引起硝酸鹽持續累積，已嚴重威脅生態環境與人類健康。傳統硝酸鹽去除方法包括生物反硝化、物化處理等，普遍存在能耗較高的問題，且難以實現高價值產物的資源化回收。電催化硝酸鹽還原反應（eNO3RR）兼具硝酸鹽去除與綠色氨合成雙重優勢，其理論能耗遠低于工業哈伯-博施法，是一種極具應用前景的可持續技術。然而，該反應仍面臨兩大關鍵難題：中性介質中水分子易構筑致密氫鍵網絡，水解離產生質子能壘較高，質子供給不足會顯著限制反應動力學。
針對中性介質中質子供給不足導致的硝酸鹽還原動力學緩慢問題，構筑能夠調控界面水結構和局部離子分布的催化微環境，是提升eNO3RR性能的有效策略。陰離子MOFs因骨架自帶負電荷，不僅有利于穩定金屬單原子位點，還可通過靜電作用富集水合陽離子，從而調控反應界面的質子供給過程。
基于上述優勢，廣東工業大學何軍教授課題組聯合中國科學技術大學江海龍教授課題組，開發了陰離子MOF基單原子鐵催化材料。將單原子Fe精準錨定在陰離子SU-102的MOF骨架上，利用材料內部Zr-O簇在Fe活性位點周邊構建負電荷微環境，實現水合鉀離子的高效富集與界面氫鍵網絡的合理調控。水合鉀離子中弱配位水更易參與解離過程，可有效改善局部質子供給，，進而助力硝酸鹽向氨的穩定轉化。
本研究選用生物配體，通過溶劑熱法制備陰離子MOF SU-102；再借助SU-102配體上未完全去質子化的羥基位點錨定單原子Fe，最終獲得在MOF骨架內活性位點分散均勻、具備局部負電荷微環境的單原子催化劑SU-102-Fe（圖1）。
圖1. SU-102-Fe的合成和陰離子微環境促進eNO3RR的示意圖
該工作設計制備了陰離子MOF錨定的Fe單原子催化劑SU-102-Fe，并揭示了陰離子微環境的關鍵作用機制：Zr-O簇的局部負電荷在Fe活性位點周圍構建陰離子微環境，該微環境通過靜電作用富集電解液中的K+·H2O物種，并促進其解離為活性氫物種（*H），從根源上解決了中性介質中質子供應不足的難題。該研究證實了“催化劑微環境調控+單原子位點”協同設計策略的有效性與可行性，為后續開發高效電催化硝酸鹽還原催化劑提供了重要參考。
這一成果近期發表在Angew. Chem. Int. Ed.上，第一作者是廣東工業大學研究生陳松和中國科學技術大學特任副研究員錢云陽，通訊作者為何軍教授和江海龍教授，廣東工業大學為第一通訊作者單位。
論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.8338805
Creating Anionic Microenvironment Around Single-Atom Fe Sites in Metal–Organic Frameworks for Enhanced Nitrate Electroreduction
Song Chen+, Yunyang Qian+, Ziyong Cheng, Lai-Hon Chung, Weihui Ou, Jieying Hu, Quanxi Mo, Shaoru Chen, Jun He* and Hai-Long Jiang*
Angew. Chem. Int. Ed.2026, e8338805.DOI: 10.1002/anie.8338805
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