科学家成功从废水中回收高纯氨，助力打造氮资源闭环利用路径

近日，电子科技大学特聘研究员晋兆宇和团队提出并实现了一种新型光热-电催化协同界面系统。这一系统的核心是一种“Janus 结构”双功能电极，一面负责将废水或空气中的含氮物质（如硝酸盐）电催化还原为氨，另一面则通过光热效应加热界面，使生成的氨快速蒸发分离。通过这种“边反应、边分离”的协同机制，该团队成功突破了电化学合成氨过程中“产物浓度低、分离效率差”的关键难题。

图 | 晋兆宇（来源：晋兆宇）

实验中，其利用该系统将废水甚至是空气中的氮源进行处理并提取出了高浓度纯氨，其纯度和浓度可直接驱动氨燃料电池稳定输出电能。

除了器件上的突破，该团队也发现了几个重要的新现象和新机制。例如，其证明了调节界面的光热和润湿特性可以大幅提高氨的蒸发效率；并通过原位扫描电化学显微镜技术，直接观察到了光热场如何加速氨的释放过程。这些发现不仅为提升电催化反应效率提供了新方法，也为今后其它低沸点产物的同步合成与提纯提供了新思路。

简而言之，该团队的工作不仅提出了一种更绿色、更高效的环境氮资源利用方式，也为“多场耦合电催化”这一方向打开了新的研究窗口。

（来源：资料图）

晋兆宇认为该成果最具潜力的应用方向，是在工业或农业废水中氮资源的回收利用。通过将该团队提出的光热-电催化协同界面系统嵌入到废水处理流程中，可以实现对硝酸盐等含氮污染物的就地转化与高纯氨产物回收。这种“边治理、边产出”的模式，不仅能够减少水体污染负担，更能够将原本被视为污染物的氮转化为有价值的能源或肥料原料，推动传统废水处理从“去除”走向“资源化”。在碳中和和资源循环的大背景下，这项技术有望成为未来氮循环治理体系中的关键单元。

据了解，当前全球范围内对清洁能源与资源循环利用的需求愈发迫切，而氨（NH3）正是连接“能源—资源—环境”三重目标的关键节点。一方面，氨是全球农业生产不可或缺的化肥原料；另一方面，氨也被广泛视作一种前景广阔的零碳燃料载体，适用于氢能储运及直接燃烧发电。但现实是，氨的传统合成方式（Haber-Bosch 工艺）仍然高度依赖化石能源，需在高温高压条件下运行，每年排放的二氧化碳约占全球碳排放的 1–2%。这种集中化、大型化、高能耗的工艺体系，不仅造成了巨大的碳足迹，也难以满足分布式、小规模氨需求的增长趋势，尤其在欠发达地区尤为突出。

与此同时，大量含氮废弃物正以各种形式存在于人类环境中，诸如农业尾水、工业废水以及城市排放中普遍富含硝酸盐和氨氮等活性氮。这些物质如果得不到妥善处理，不仅会引发水体富营养化、土壤酸化和空气污染，还意味着宝贵氮资源的流失。事实上，当前全球人为固定的氮已超过自然固氮总量，造成氮循环严重失衡。该团队因此思考：能否从环境中“回收”流失的氮资源，将其重新转化为可利用的高价值氨产品？

围绕这一问题，该团队长期关注“能源与环境可持续发展”方向，尝试以电化学还原方式将环境中的氧化态氮还原为氨。这一过程理论上具有绿色、高效、原位的优势，但在实践中始终面临两个关键瓶颈：一是现有电催化体系在常规条件下生成的氨浓度过低，难以满足实际使用需求；二是氨产物难以高效分离与富集，进一步抬高了系统的整体能耗与成本。

因此，本项研究正是基于电催化制氨浓度低、分离难、效率低下这类长期未解的技术挑战出发，该团队希望通过引入“光热耦合”的设计思路，构建一种可同时提升电催化反应效率与产物提取能力的新型功能界面，实现对低浓度氨产物的原位富集与直接提纯。其目标不仅是提高氨的生成速率和回收效率，更是希望探索一条从环境到燃料的氮资源闭环利用路径，为可持续发展提供全新技术方案。

（来源：资料图）

在整个研究过程中，最让晋兆宇印象深刻的是从原理设想到实验验证的这一完整过程。他和团队最初提出了一个设想：是否可以通过引入光热场，辅助电催化反应过程，从而提高氨的生成速率，并促进其在界面上的快速释放？虽然这一思路在理论上是可行的，但在实践中，他们面临着大量工程与机制上的不确定性。

在课题推进过程中，晋兆宇与学生反复讨论，每一个实验设计和现象解析都围绕“界面反应—传输—分离”的耦合机制进行逐层拆解。比如，他们曾长期困惑于氨浓度难以提升的现象，最终通过调控光热层的导热结构和界面润湿性，实现了氨分子的快速脱离和富集，性能提升非常显著。

更关键的是，在研究中他们还得到了德国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授的悉心指导。“余老师课题组在太阳能水蒸发与界面净化方面的长期积累，为我们理解界面热场调控如何影响气-液分离过程提供了重要启发。通过与余老师的交流，我们进一步优化了界面结构设计，特别是在热传输路径、界面张力控制等关键参数上取得了突破，成功解决了氨在反应过程中易滞留、难以分离的问题。”晋兆宇表示。

在相关论文的评审过程中，该团队收到了多位同行的积极反馈。其中，一位审稿人评价道：“作者提出的光热-电催化协同界面是应对低浓度氨产物分离挑战的创新方案，成功实现了从空气与废水中持续提取高纯氨的目标，并直接应用于氨燃料电池，具有重要的科学意义与应用前景。”另一位审稿人则指出：“该工作通过材料驱动和多物理场耦合策略，建立了一个新颖且实用的电催化系统，不仅概念先进，而且系统设计全面、逻辑清晰，在可持续能源与氮循环研究中具有重要参考价值。”这两条评价充分肯定了该团队在方法创新与系统集成方面的探索，也体现出评审专家对本成果在绿色能源与资源回收领域应用前景的高度认可。

目前，该团队已经围绕这一研究开展了后续的系统性计划，首要目标是进一步深化对光-热-电多场耦合界面的基础机制理解。接下来，其将重点构建一套多场协同条件下的原位表征平台，结合课题组长期发展的原位电化学滴定分析技术，实现对反应界面上中间体生成、迁移与转化过程的动态可视化和定量解析。

通过这一平台，其希望加快高性能多功能集成界面材料的筛选与发现，建立从机制认知到材料开发的闭环体系。同时，该团队也在探索将该策略拓展应用于其他低沸点电合成产物体系，并计划开展小型集成化装置的初步示范验证，推动这一概念向更具实用性的能源与资源回收场景转化。

参考资料：

Wang, P., Li, P., Pan, Z. et al. Photothermal-electrocatalysis interface for fuel-cell grade ammonia harvesting from the environment.Nat Commun16, 5581 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60636-1

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