本作品采用缺陷工程、晶面工程、界面工程等先进技术制备了具有高性能
的铜基催化剂，并开发配套的耦合太阳能发电体系氨分离器，主要应用于
无机废水硝酸盐处理。在经济效益方面，本作品发掘了硝酸盐废水的潜在
经济价值，将硝酸盐转化为氨；在成本方面，本作品能耗低、无需二次处
理，因此处理成本亦低于传统方法；在环境效益方面，本作品处理效率
高、处理工艺的碳排放较低，与当前“双碳”目标保持了一致。另外，氨
作为清洁能源或作为良好的氢载体，具有发展为主导能源或能源载体的潜
能。因此，本作品在电镀、线路板等涉及高浓度硝酸盐废水处理的行业内
具有广阔的应用前景。目前，硝酸盐废水处理占工业废水处理相当一部
分，市场规模超过32.62亿元。基于此市场体量，可以预测本作品的实际应
用能带来可观的经济效益。与目前最广泛应用的反硝化技术（¥106.17 kgN）相比，电化学与膜分离技术耦合将硝酸盐废水处理成本大大降低
（~¥17.06 kg-N），为废水完全脱氮与经济价值创造提供新方案。

1. 电催化硝酸盐制氨的提出
2020年，《Nature Energy》报道了电催化硝酸盐制氨这一技术，相比于电化学还原氮气
合成 氨，其产率提升一个数量级以上。2022年，《Nature Nanotechnology》报道了工业级硝
酸盐 电化学还原合成氨的最新成果，通过电解NO3-RR废水与空气汽提工艺相结合， 以直接生
产 NH4Cl肥料和纯NH3溶液产品。
催化电极材料的表面和界面特性、化学组成及电子结构对电极的催化活性和选择性等
起着至 关重要的作用。催化剂表界面结构调控可以促进电子转移，因此被认为是提升电催化
硝酸盐 还原性能的有效策略。
不同条件下，电催化硝酸盐还原可能会生成不同的产物。其中，N2和NH3/NH4+是在热力
学上 的最稳定的氮物种存在形式。因此，它们是两种优势产物。
2. 非贵金属催化剂的研究进展
近年来陆续报道了通过催化剂调控实现硝酸盐还原制氨的方法：例如，一种铜-有机分子
固体 (Cu-PTCDA) 催化剂，可以实现低过电位还原硝酸盐制氨，FE高达86%；具有可控晶面
的Pd纳米催化剂，研究了不同暴露晶面的催化性能 (晶面工程) 。研究指出，Pd(111)比
Pd(100)更有利于将NO3
-转化为NO2
-，而Pd(100)比Pd(111)更有利于将NO2
-转化为NH3；
Pd(111)在将NO3
-还原为NH4+方面表现出优异的活性和选择性，能够高效地将硝酸盐转化为氨
；一种Fe单原子催化剂，FE达到了75%。另外，有研究者利用应力工程，实现在高电流密度
下以几乎100%的氨选择性反应。总体而言，催化剂的结构调控将直接影响NO3-RR的选择性，
产生不同的产 物和催化性能。因此，硝酸盐还原制氨领域集中于催化剂的定向调控。
3. 电催化硝酸盐制氨的关键问题
在陆续报道出催化剂调控实现硝酸盐还原制氨的方法后，如何实现“液相中的氨分离与
提取”是影响该技术实际应用的关键难题。由于实际废水的复杂性，干扰离子、有毒物质、
NO3
--N的初始浓度及工作电压大小将直接影响到电化学体系的效率，进而影响到氨分离提
取。因此，“废水增值”技术的应用不仅要聚焦前端的催化剂电极制备与改性，还要结合实
际废水情况，设计面向实际废水的反应器并开展小试中试，确保其能更好地应用到生产中。
深入发掘电极设计规律、探索实际应用参数，对实现该技术的产业化具有重大的意义。

挑战杯全国赛二等奖