将化肥厂和农业径流中的硝酸盐废水转化为高价值氨，同时净化水体至饮用水标准，是“变废为宝”的理想路径。但电催化硝酸盐还原制氨（ENtAC）有一个“死穴”——在工业级大电流下，析氢反应（HER）会严重竞争，导致法拉第效率暴跌至50%以下，且催化剂极易失活。

吉林大学薛玉瑞教授团队（陈召洋、赵淑煜等）设计了一种石墨炔-Mo/Cu原子界面，通过双d-p轨道杂化与动态电子缓冲效应，让硝酸盐还原反应高效通行，而析氢反应被近乎完全抑制。成果于2026年8月3日发表于《自然-通讯》。

该催化剂在流动电解槽中以500 mA/cm²的工业级电流密度稳定运行300小时，活性衰减<3%；在膜电极组件（MEA）中稳定运行超380小时，氨产率高达3.64 mmol h⁻¹ cm⁻²。

用“电子缓冲层”驯服硝酸盐还原

薛玉瑞团队选择了具有sp-sp²共杂化二维碳材料石墨炔（GDY） 作为界面调控平台。其独特的三角孔洞和面外sp杂化轨道能强有力地锚定金属原子，形成Mo/Cu–C≡C原子级异质界面。

DFT计算揭示了该界面的三重关键功能：

1. 双d-p轨道杂化：Mo 4d–C 2p和Cu 3d–C 2p双轨道杂化，使N–O键强度减弱36.85%，活化能垒降低0.43 eV
2. 动态电子缓冲：GDY的π共轭体系充当电子“蓄水池”，在反应中动态地提供或接受电子，防止金属活性中心被过度还原或氧化
3. HER被强力抑制：GDY-MCO上的HER能垒从MCO的-0.31 eV升至0.78 eV，析氢反应被近乎完全抑制，这正是实现~100%法拉第效率的关键

Figure 1（理论预测：活性位点结构与电子调控）

表征：原子级界面的“实锤”

XPS证实GDY-MCO中出现了金属-碳（M–C）键（283.7 eV），Cu 2p和Mo 3d峰分别负移0.2 eV和0.1 eV，表明电荷从金属向石墨炔转移。准原位XPS进一步揭示，在电解过程中，MCO的Cu²⁺在60分钟内被还原了50.26%（电子被析氢反应“吸走”），而GDY-MCO中Cu的价态几乎维持不变——石墨炔的“电子缓冲”效果在工况下被实锤。

原位ATR-FTIR和DEMS确认了完整的NO₃⁻→NH₃转化路径（N–O键断裂、N–H键形成），且未检测到H₂、N₂、N₂O等副产物——法拉第效率近100%的来源。

Figure 2（合成与结构表征）

性能：工业级电流下稳定运行，废水变饮用水

GDY-MCO在-1.9 V vs. SCE电位下，法拉第效率达99.93%，氨产率2.45 mmol h⁻¹ cm⁻²。在连续流动电解槽中，以500 mA cm⁻²稳定运行300小时，衰减<3%，处理后水中残留硝酸盐浓度为47.70 ppm（低于饮用水标准50 ppm），亚硝酸盐几乎不可检出。

更进一步的MEA组件中，以500 mA cm⁻²稳定运行380小时，氨产率3.64 mmol h⁻¹ cm⁻²，能量消耗为45.97 kWh kgNH₃⁻¹，能量效率9.56%。催化剂的结构和价态在电解后几乎无变化。

Figure 3（性能与机理研究）

论文信息：Sustainable ammonia synthesis from nitrate wastewater via graphdiyne Mo–Cu–C=C interfaces，Nature Communications，2026，DOI: 10.1038/s41467-026-76148-5

总结：

石墨炔-Mo/Cu原子界面构建动态电子缓冲层→双d-p轨道杂化削弱N–O键（36.85%）/抑制HER（能垒0.78 eV）→FE达99.93%、产率2.45 mmol h⁻¹ cm⁻²→500 mA/cm²稳定运行380小时→废水净化至饮用水标准。