图1 Kirkendall效应构建的Cu/Ru空心异质纳米结构及其NO3−制NH3性能研究。（a）纳米树枝状Cu@Ru核-壳纳米结构的合成过程示意图，以及通过在不同温度下对分散在炭黑上的Cu@Ru核-壳纳米结构进行退火所获得的一系列Cu/Ru异质结构，（b）Cu/Ru-Un、Cu/Ru-300和Cu/Ru-800在0.2至−0.3 VRHE电位范围内的FENH3与EENH3，（c）Cu/Ru-300在从OCP到−0.3 VRHE不同电位下的Cu K边XANES光谱，（d）Cu/Ru-300的电位依赖原位拉曼光谱，（e）基于有限元法（FEM）的模拟结果显示，在中空结构中NO2−的扩散过程（初始浓度为1 μg mL−1，t = 0 μs）。

 在国家重点研发计划（编号 2022YFE0113800）和海外高层次人才引进计划的资助下，重庆大学国家储能技术产教融合创新平台黄建峰教授团队在电催化NO3−制NH3研究方面取得重要进展，相关成果以“柯肯达尔效应构筑的Cu/Ru空心异质纳米结构用于高效NO3−制NH3（Engineering Cu/Ru Heterointerface-Shelled Nanocavities by the Kirkendall Effect for Highly Efficient Nitrate Electroreduction to Ammonia）”为题于2025年9月29日在线发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）杂志上。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c11097。

 NH3作为农业生产、化工制造及环境治理中不可或缺的基础化学品，在全球可持续发展中占据重要位置。然而传统Haber–Bosch工艺依赖高温高压和大量化石能源，面临能耗高、碳排放重等瓶颈。电催化NO3−还原因可直接利用可再生电能、操作条件温和，同时兼具污染治理与绿色合成双重价值，被视为替代传统工艺的潜力路径。然而，该体系依旧受限于多电子多质子协同难、NO2−等中间体滞留、以及与HER的竞争等核心挑战。如何构筑具备高活性、高选择性与稳健性的催化剂，是推动电催化合成NH3走向应用的关键科学问题。

 针对上述挑战，研究团队在DFT理论计算指导下，提出了一种基于Kirkendall效应的结构工程策略，成功构筑了Cu/Ru空心异质纳米结构催化剂，用于高效电催化NO3−还原制NH3。该结构通过界面耦合与空腔限域的协同作用，实现电子结构的精准调控以及中间体传输的优化。在电催化NO3−还原测试中，优化样品Cu/Ru-300展现出卓越性能：在−0.1 VRHE时NH3的法拉第效率高达97.4%，产率达到152.6 mg h−1 mgmetal−1，能量效率约为40%，显著优于纯Cu、纯Ru及其他Cu/Ru对照样品。实验与理论共同揭示了该Cu/Ru架构的关键优势：（1）异质界面电子效应能够有效调控活性中心电子结构，显著降低反应速率决定步骤的能垒；（2）Cu与Cu/Ru界面的串联催化作用协同促进多步质子-电子转移过程；（3）空心纳米腔的空间限域效应能增强NO2−等关键中间体的滞留与定向转化。该研究不仅系统阐明了Cu与Ru在电子及结构层面的深度协同机制，也提供了一条具有普适性的催化剂设计策略，为实现可持续氮循环与绿色NH3合成提供了新的结构范式与理论依据。