近日，上海大学张登松教授（国家杰青）联合合作者，在期刊 Advanced Science 上发表研究论文。该工作针对电催化亚硝酸盐还原反应（NO₂RR）中反应物活化和加氢步骤难以协同推进的问题，提出了一种“计算引导+实验验证”的双位点电催化剂设计范式。通过密度泛函理论筛选出Cu掺杂ZnO作为最优双位点，其中Cu位点上调Zn的d带中心，增强*NO₂吸附与脱氧能力；ZnO位点促进水分解，提供反应界面所需质子。原位光谱与理论计算共同揭示了Cu与ZnO协同调控亚硝酸盐活化与加氢动力学的机制，为高效NO₂RR催化剂设计提供了理论与实验指导。上海大学张辉博士为论文第一作者，张登松教授、任伟教授、慕尼黑大学Emiliano Cortes教授、段海燕副教授为论文共同通讯作者。

1、 背景介绍：

氨是化工领域关键原料，也是极具潜力的储氢介质和碳中和能源载体。传统哈伯法制备氨需高温高压条件，能耗高且碳排放量大。电催化亚硝酸盐还原反应（NO₂RR）因 N=O 键解离能低、反应动力学快，成为可持续制氨的新型路径，同时能实现亚硝酸盐（水体常见污染物）的资源化利用，兼具环境与经济价值。然而，NO₂RR过程涉及多步质子-电子转移与复杂中间体演变，其核心挑战在于如何协同调控反应物的活化与加氢步骤，同时抑制析氢副反应。传统催化剂筛选多依赖“试错法”，效率低下。本文提出计算引导的催化剂设计策略，将理论预测与实验验证紧密结合，为高效NO₂RR催化剂开发提供了新思路。

2、本文要点：

(1) 计算引导的精准催化剂设计。基于第一性原理计算，系统筛选金属及双位点体系，发现 Cu 掺杂可上移 Zn 的 d 带中心，增强* NO₂吸附与脱氧能力；ZnO 位点则优化水分子解离动力学，高效供应质子。这种双位点协同效应精准匹配 NO₂RR 反应需求，从源头规避“试错法”的盲目性。

(2) 明确的双位点协同机理。Cu位点上移Zn的d带中心，增强NO₂⁻ 吸附与脱氧能力；ZnO位点促进水解，提供充足质子，构建富质子界面微环境，有效抑制副反应（析氢反应）。

(3) 原位表征（DEMS、ATR-IRAS、EPR）与理论计算证实：系统揭示了NO₂⁻还原路径及Cu-Zn协同催化机制，明确水解为速率控制步骤。

3、总结与展望：

该研究成功展示了一条从理论计算到实验验证的完整工作流程，用于高效电催化亚硝酸盐还原合成氨。通过第一性原理计算指导，筛选并证实了Cu掺杂ZnO作为双位点催化剂的优越性。Cu的掺杂上移了Zn的d带中心，强化了*NO₂的吸附和活化；而ZnO位点则优化了水的解离，创造了质子富集的界面微环境。这种协同作用精准调控了反应动力学，从而获得了创纪录的催化性能。多种原位光谱技术和多反应器测试共同验证了理论预测和催化剂的实用性。该研究用基于机理的预测性催化剂设计取代了传统的试错法，为开发用于特定电化学转化的先进电催化剂提供了一种可推广的通用策略。

4、作者介绍：

第一作者：张辉，上海大学博士后。从事催化材料物理与化学、计算材料学等相关研究。主持国家自然科学基金青年项目1项、上海市省部级项目1项；作为核心技术骨干，参与国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目、国家自然科学基金重点项目等。迄今以一作在J. Am. Chem. Soc、J. Chem. Theory. Comput、Adv. Sci 等期刊发表SCI 论文，累计发表论文10余篇。

通讯作者：张登松，二级教授（研究员），国家杰出青年科学基金获得者，现任科技部纳米复合功能材料国际科技合作基地负责人、上海资源环境新材料及应用工程技术研究中心主任。长期从事能源环境催化的基础与应用研究，发展了多种减污降碳新技术。主持承担了一系列国家自然科学基金项目（包括国家杰出青年科学基金项目、优秀青年科学基金项目、重点项目、石油化工联合基金项目、面上项目、青年科学基金项目、国际(地区)合作与交流项目等）、京津冀环境综合治理国家科技重大专项、国家重点研发计划项目与课题、科技部973计划前期研究专项等。已获授权国际发明专利与国家发明专利70余项，多项科研成果在国内外企业中得到推广应用。以通讯作者在Nature Nanotechnol、Nature Commun、Chem Rev、JACS、Angew Chem Int Ed、Environ Sci Technol、Adv Mater等国内外期刊发表270余篇SCI论文，被引用3.14万余次，H指数为104，连续多年入选全球高被引科学家（科睿唯安，2020至今）和中国高被引学者（爱思唯尔，2018至今），并于2023年当选英国皇家化学会会士。曾作为大会主席成功举办多次国际国内会议。曾荣获上海市新长征突击手、上海市晨光学者、上海市青年科技启明星、上海市育才奖、上海市青年五四奖章集体（团队负责人）、上海市教委记功三次、王宽诚育才奖等，作为完成人之一获高等教育国家级教学成果二等奖、高等教育上海市级教学成果二等奖。曾获2024年上海市青年科技杰出贡献奖、2022年上海市科技进步一等奖（第一完成人）、2021年华夏建设科学技术二等奖（第一完成人）、2018年上海市科技进步二等奖（第一完成人）等。

通讯作者：段海燕，副教授，上海市海外高层次人才。复旦大学/英国利物浦大学联合培养博士，暨南大学/英国利物浦大学博士后，曾获复旦大学优秀毕业生、复旦大学优秀学生。2022年12月加入上海大学张登松教授研究团队，从事环境催化相关研究。主持京津冀环境综合治理国家科技重大专项子课题1项，主持国家自然科学基金面上项目1项、国家自然科学基金青年项目1项、国家自然科学基金国际合作项目1项，主持青年优秀科研人才国际培养项目1项。目前在Nat. Commun、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed、Environ. Sci. Technol等高水平期刊发表SCI 论文20余篇，其中一作/通讯论文13篇，ESI高倍引论文1篇，ESI热点论文1篇，JACS封面文章2篇，申请国家发明专利4件（获授权1件）。