Modulation of protons and cations at the electrode-electrolyte interface for effective selectivity of ammonia production during electrochemical nitrate reduction reaction
Jou-Chun Lin, Meng-Chi Hsieh, Lo-Yu Lee, Yi-Cheng Su, Yi-Chia Chen, Yung-Yi Huang,
Cheng-Chi Xiao, Chueh-Cheng Yang, Chun-Chih Chang*, Chia-Hsin Wang*,
and Di-Yan Wang*
Applied Catalysis B: Environment and Energy 2026, 394, 126786
中國文化大學 化學工程與材料工程學系 張鈞智副教授
國家同步輻射研究中心 科學研究組-奈米科學小組 王嘉興小組長
國立臺灣師範大學 化學系 王迪彥教授
電化學硝酸鹽還原反應（NO3RR）被視為能同時解決水體硝酸鹽汙染與實現永續氨合成的極佳策略。然而，硝酸鹽還原涉及複雜的多電子與質子轉移路徑，且競爭性析氫反應（HER）會降低法拉第效率及產物選擇性 ，導致實際應用上具有極高的過電位。本研究針對此挑戰，系統性探討了電解液中鈉離子（Na+）與質子（H+）在電極-電解質介面的競爭交互作用。以銅奈米枝晶（Cu NDs）作為催化劑，並結合原位近常壓X射線光電子能譜（NAP-XPS）與基於第一原理的位能面掃描模擬，深入解析微觀的介面動態過程。在純NaNO3環境中，Na+會大量聚集並競爭性吸附於催化劑表面，抑制了NO3-的結合，導致較高的過電位，並促使反應傾向生成亞硝酸鹽（NO2-）。相反地，當系統中存在H+時，則能促進NO3-吸附，進而大幅提升氨（NH3）的產量與選擇性。本研究將巨觀的電催化效能與微觀的電雙層結構動態建立連結，釐清了中性介質中高過電位的成因，以及鹼金屬陽離子與質子如何主導NO3RR的選擇性機制，為未來設計高效、永續之電催化氨合成系統提供了關鍵的理論基礎與深刻見解。