东华大学：杨建平团队发表铁基催化剂用于硝酸盐电化学还原综述

第一作者：王楚淇

通讯作者：杨建平 张辉

通讯单位：东华大学

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本文综述了铁基纳米催化剂在电化学还原硝酸盐方面的研究进展，并详细分析了其结构与电催化性能的关系，最后，对未来研究和应用面临的挑战和机遇进行了讨论。这些总结增加了对铁纳米颗粒结构工程的认识，为开发低成本、高性能的铁基电催化剂提供了系统的理总结。

图1铁基纳米催化剂结构与电催化性能的关系

【研究背景】

硝酸盐在水中具有很高的稳定性和持久性，危害人类健康和水生生态系统。电化学硝酸盐还原反应(NO3RR)由于其高可靠性和高效率，被认为是缓解水体中过量硝酸盐、特别是去除微量硝酸盐的最佳选择。催化剂是电化学还原过程中最关键的因素之一，它直接影响着硝酸盐还原反应的效率。铁基纳米催化剂具有无毒、可用性广、成本低等优点，近年来成为一种很有前途的电化学NO3RR材料。目前对于铁基纳米催化剂的设计合成和组分调控策略并用于NO3RR电化学还原的机理认识还有待加强。

【图文导读】

要点一：作者首先介绍了一些用于硝酸盐还原的不同金属材料，重点介绍了有关铁基纳米催化剂的结构表征方法和电化学硝酸盐还原性能的测量策略，并讨论了电化学NO3RR的反应机理。

图2 a)可用于电化学NO3RR的元素； b)一些代表性的电化学NO3RR铁基纳米催化剂

要点二：根据结构设计的不同，铁基纳米催化剂大致可分为三种类型:负载型铁基纳米催化剂、掺杂型铁基纳米催化剂和组装型铁基电催化剂。作者系统介绍了一些具有可控结构的铁基纳米催化剂，着重关注其结构特征与电化学NO3RR性能之间的关系。直观地总结了这些不同结构和组成的铁基电催化剂的硝酸盐去除率和产物选择性，比较了不同设计方法对催化性能的影响。

图3 三种典型结构的铁基纳米催化剂的比较

要点三：尽管铁基纳米催化剂在电化学硝酸盐去除方面表现出了巨大的前景，但仍有许多主要问题亟待解决。作者对铁基纳米催化剂用于电化学NO3RR的未来研究和应用面临的挑战和潜力，提出了个人见解，包括还原产物的选择与调控、新兴的电化学NO3RR铁基纳米催化剂、机理的表征方法和理论计算等。

【总结与展望】

本文综述了用于电化学硝酸根还原的铁基纳米催化剂的研究进展。首先，为了便于铁基纳米催化剂的可控结构设计，需要对组成、结构、性能和机理等基本概念有全面的了解。然后重点介绍了用不同策略制备的不同结构的铁基纳米催化剂的合成、表征和硝酸盐还原性能，并深入研究了结构和性能之间的关系。通过改善载体微环境，合理调节活性中心，设计一体化铁基纳米催化剂，可以进一步提高活性位点数量、活性面积和电子输运率。最后，讨论了铁基纳米催化剂在电化学硝酸盐还原应用中面临的困难和机遇。我们希望通过此次综述，为铁基纳米催化剂的设计带来新的思路，为尽早实现低成本、高效率铁基纳米催化剂的大规模工业应用铺平道路。

【通讯作者简介】

张辉副教授： 2014年于弗莱堡大学获得博士学位，德国弗赖堡大学和东华大学博士后，目前是东华大学材料科学与工程学院副教授、民用航空复合材料研究中心副主任。研究方向包括高性能纤维和复合材料、碳基结构和功能复合材料。在Angew.Chem. Int. Ed., Composites Science and Technology, Composites Part A, CompositesStructures，Composites Communication等复合材料专业期刊共发表SCI论文40余篇，申请中国发明专利30多项，授权16项，PCT专利4项；主持国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划项目子课题、上海市科委科创新行动计划子课题、江苏省重点研发计划子课题等纵向项目以及多项企业合作项目；获得纺织工业联合会科技进步奖二等奖、上海市科技进步奖一等奖。

杨建平研究员：2013年于复旦大学获博士学位，师从赵东元院士；同济大学、澳大利亚伍伦贡大学、澳大利亚莫纳什大学做博士后和访问学者；2016年加入东华大学，担任材料科学与工程学院研究员、博导、副院长。从事材料界面调控及能源环境应用研究，发表Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev.等SCI论文140余篇，总引用12000余次，H指数52。主持国家自然科学基金（重大研究计划培育、面上和青年）等项目。担任EcoMat等青年编委、上海稀土学会理事、中国纺织工程学会纤维微塑料防控科学与工程科研基地主任等。入选JMCA和ChemComm新锐科学家，荣获上海市浦江人才、上海市东方学者特聘教授、上海千人、教育部霍英东青年基金、国家优秀青年科学基金。