氨（NH₃）作为人类生产和生活中不可或缺的化学原料和理想的储氢载体，发挥着不可替代的作用。目前，工业规模的NH₃合成主要依赖能源和碳排放密集型的Haber-Bosch（H-B）工艺。为了克服H-B工艺的缺陷，研究者提出了在自然条件下利用可持续的电能将废水中的硝酸盐转化为高附加值的NH₃的方案（NO₃RR），这不仅这为替代H-B工艺提供了可持续的方案，并为恢复全球氮循环的平衡提供了解决方案。鉴于NO₃RR是一个多电子耦合的质子转移过程，不可避免地会产生一些如NO_x和N₂等副产物。因此，迫切需要设计和开发高效的催化剂用以提高NO₃RR的反应活性和选择性。

铜基催化剂表现出储量丰富、易得和价廉等优点，且Cu的d轨道和硝酸盐的LUMO π*分子轨道之间能级的匹配度高，使得Cu基催化剂有望促进NO₃RR的热力学和动力学过程。理论和实验研究证明酸性条件下铜基催化剂催化的NO₃RR在热力学和动力学上优于碱性条件，其原因是由于碱性环境中由于缺乏质子导致NO₃RR的加氢步骤动力学缓慢。然而，由于酸性条件下过度的析氢反应会抑制NO₃RR过程。因此NO₃RR通常是在碱性环境中进行的。针对在碱性溶液中由于缺乏质子而导致的Cu基催化剂催化NO₃RR氢化步骤动力学缓慢的问题，我们用含有40个胸腺嘧啶的单链DNA为模板合成了粒径为1.7 nm的铜纳米簇（标记为T40-CuNCs）用于增强NO₃RR过程。T40链中未与CuNCs结合的部分可以延伸到电解液中，通过其极性基团与水分之间形成氢键在电极表面构建了一个连续的氢键网络，进而定向输送水分子至催化剂表面，促进了催化剂表面水电解产生质子的反应活性。催化剂表面充足的质子加速了NO₃RR过程的氢化步骤。因此，与传统的Cu催化剂相比，我们设计的T40-CuNCs催化剂具有更强的促进NO₃RR反应的催化活性。在−0.6 V vs. RHE时，硝酸盐转化为NH₃的法拉第效率(FE)达到96.8%，NH₃产率达到2.62 mg·h^-1·cm^-2。

相关研究成果以《Efficient Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia Based on DNA-Templated Copper Nanoclusters》为题发表在国际著名期刊《ACS Applied Materials& Interfaces》（IF:10.383）上，温州大学为第一单位，我院2020级研究生罗文杰为第一作者，我院杨植教授、聂华贵教授、葛勇杰博士为共同通讯作者。我院钱金杰副教授，周学梅博士，研究生吴世路，江颖洋，许鹏，邹锦萱参与了该项工作。上述工作得到了国家自然科学基金的支持。

原文链接：//doi.org/10.1021/acsami.3c00511