通过等离子体或电催化技术的氮氧化反应(NOR)提供了一种从空气/N2中获得硝酸盐的有效方法，这有助于降低NH3生产的能耗，为实现可持续的氮循环提供了有效途径。与低效率的光催化(PC)工艺和具有复杂供电系统的光电池-电催化(PV-EC)工艺相比，光电催化(PEC)NO3RR具有良好的系统集成优点，以及可以允许理想的无偏压操作，使NH3生产系统简单和有效。在追求推进PEC技术的过程中，主要的挑战在三个方面：首先需要合理设计光电，包括光吸收器和助催化剂，旨在提高太阳能转换效率；其次，优化共催化剂以提高生产目标产品的光荷利用效率；第三，合理设计PEC器件以扩展应用。近日，新南威尔士大学Rose Amal、郝晓静和潘剑等将Cu纳米结构顶层(Cu-NSTL)构建在商用Si太阳能电池的n型侧，与Co(OH)2纳米片(Co(OH)2 NSs)复合形成Cu/Co(OH)2-Si光电阴极。实验结果表明，三元Cu/Co(OH)2-Si光电阴极显示出优异的PEC NO3RR性能，起始电位为1 VRHE，NH3的法拉第效率接近100%。同时，Cu/Co(OH)2-Si光电阴极具有良好的稳定性，在连续运行超过10小时的情况下，没有发生显著的电流衰减。此外，即使在极低的NO3−浓度下，Cu/Co(OH)2-Si光电阴极的性能也很突出，证实了所开发的三元光电极具有高的NH3生产能力。更重要的是，研究人员还展示了一种大规模的PEC装置，它可以直接利用太阳能同时实现无偏压的NH3生产和甘油升级，在可扩展性方面显示出高灵活性。原位表征和理论计算结果表明，在Cu/Co(OH)2-Si中存在协同效应。*NO3向*NO2的转化为速率决定步骤，但在超低过电位下可以在Cu上实现快速反应动力学，保证了反应活性；与Cu/Co(OH)2-Si相比，Co(OH)2-Si的光响应电流减弱，这意味着在没有高载流子转移能力Cu-NSTL的帮助下，将光生电荷注入电解质的速率较慢；对于Co(OH)2，它以良好的配位构型吸引了*H2O和*NO3的共吸附，确保了*NO3还原到更深的层次。此外，Co(OH)2不仅可以自己实现NO3-NH3，还可以转化吸附的*NO2(由Cu生成)，并将*H传递到Cu侧，促进NH3的合成，其对保证高NH3选择性起着关键作用。综上，Cu和Co(OH)2表面参与了不同的反应步骤，协同作用促进NH3的形成。Nanostructured hybrid catalysts empower the artificial leaf for solar-driven ammonia production from nitrate. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D3EE03836J
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