理学院江明航副教授课题组在自然指数期刊ACS Nano发表研究论文

近日，理学院江明航副教授课题组及合作者在自然指数期刊《ACS Nano》（中科院一区，IF=17.3）发表题为“Interface Coordination Nucleation of Copper Nanoclusters on Covalent Organic Frameworks for Electrocatalytic Ammonia Synthesis”的研究论文。江明航副教授、2023级硕士研究生陈法升和成都理工大学钟信宇研究员为本论文共同第一作者，江明航副教授、李磊博士、南京大学金钟教授和熊衍研究员为本文共同通讯作者，西华大学为第一完成单位。

论文截图

电催化硝酸盐还原反应(NITRR)合成具有附加值的氨（NH₃）是实现硝酸盐水体污染去除、氮循环利用和绿氨生产的一种有效途径。目前，电化学NITRR领域的持续挑战在于设计和开发稳定高效的电催化剂。铜纳米团簇凭借其明确的结构与极高的金属原子利用率，被认为是电化学NITRR合成NH₃领域最具前景的催化剂之一。本文提出了一种界面配位成核策略，可在腙键连接的共价有机框架（HL-COF）上实现铜纳米团簇（Cu NCs）的均匀生长。HL-COF结构中周期性排布的腙键可保障铜纳米团簇均匀生长，在电催化过程中充分暴露活性位点。理论计算表明，HL-COF上铜纳米团簇结构中的低配位Cu原子，可显著增强*NO₃中间体的吸附作用。此外，这类Cu NCs能有效降低反应决速步（*NO→*NHO）的能垒。基于上述材料结构优势，所制备的0.5-Cu NCs/HL-COF催化剂，即使在极低硝酸盐浓度（0.01 M NO₃⁻）条件下，于相对于可逆氢电极-1.0 V的电位下，仍能实现高达98.6%的氨法拉第效率（FE_NH3）。在流动池测试中，该催化剂可长时间维持203.8 mA·cm^-2的工业级硝酸盐还原电流。在流动池稳定性测试完后，通过氩气吹扫和旋蒸等工艺可高效提取得到高纯度固体氯化铵（NH₄Cl）。此外，以0.5-Cu NCs/HL-COF为阴极、锌箔为阳极自组装了一种可充放电的NITRR||ZnOR电池，实现了1.87 mW·cm⁻²的功率密度。

图1. 通过一种界面配位成核策略在HL-COF结构中均匀生长Cu NCs的合成路线图，0.5-Cu NCs/HL-COF催化剂的表面形态，元素分布和微观结构表征。

图2. HL-COF和x-Cu NCs/HL-COF（x = 0.2, 0.5或1.0）催化剂的晶体结构、化学键、元素组成和价态分析。

图3. X射线近边吸收精细谱图和扩展X射线吸收谱图分析所制备催化剂的元素价态、配位环境和化学键长等关键结构信息。

图4. 线性扫描伏安曲线和计时电流曲线等电化学方法评估所制备催化剂的催化性能。

图5. ¹⁵N同位素标记实验确定产物氨来源;在H型电解池中通过循环稳定性和长时间稳定性评估所制备催化剂的稳定性；原位红外光谱结合密度泛函理论计算分析Cu NCs/HL-COF催化剂表面硝酸盐电还原产氨的反应机制。

图6. Cu NCs/HL-COF催化剂在流动型电解池中评估的电催化硝酸盐产氨的稳定性以及自制的一种可充放电的NITRR||ZnOR的电池性能表征。

作者简介：

江明航，理学博士，副教授，硕士生导师。2022年7月起任教于西华大学理学院，主要从事用于电催化碳/氮能源转化的金属基纳米材料的结构设计及反应机制研究。近年来，主持四川省自然科学基金等项目4项。已在国际学术期刊发表SCI论文58篇，总被引2600余次，H因子26。以第一/通讯作者在Chemical Society Reviews（IF=48.3, 1篇）、Chem（IF=19.1, 1篇）、Advanced Functional Materials（IF=19.9, 2篇）、ACS Nano（IF=17.2, 2篇）、Environmental Science & Technology（IF=12.2, 1篇）、Nano Energy（IF=16.7, 1篇）、Nano Letters（IF=9.1, 4篇）、Chinese Journal of Catalysis（IF=17.2, 1篇）、Journal of Energy Chemistry（IF=15.6, 1篇）和Journal of Hazardous Materials（IF=10.6, 1篇）等国际高水平期刊上发表论文24篇，其中IF>10的论文11篇，自然指数期刊论文9篇，ESI高被引论文5篇，ESI热点论文2篇。

陈法升，食品与生物工程学院，生物与医药专业2023级硕士研究生，曾获研究生国家奖学金和2026届校级优秀毕业生。主要从事过渡金属有机框架纳米材料的设计、合成及其电催化合成氨方面的研究。目前，参与发表SCI论文7篇，其中，以学生一作在Advanced Functional Materials（IF=19.9, 中科院一区）、ACS Nano（IF=17.2, 中科院一区）和Journal of Colloid and Interface Science（IF=9.6, 中科院一区）期刊上发表SCI论文3篇。