硝酸盐（NO₃⁻）还原产氨（NH₃）因其兼具废水脱氮与富氢能源载体生成的双重价值，是当前环境水处理与氮资源化利用的前沿研究热点。然而，单纯电催化的过电位较高且存在扩散限制，而光催化低的转化效率又限制其规模化应用。光电催化选择性硝酸盐还原制氨为低能耗、绿色高效氮循环提供了一条可持续途径。核心挑战在于如何调控光电催化界面以降低反应电位且获得产物NH₃的高选择性，并阐明光电协同作用下的动态催化机制。

近日，william威廉中文赵国华教授课题组提出了一种新型非晶/晶相异质结Ni(OH)₂/Cu₂O光电极在正起始电位下高选择性和硝酸盐向氨完全转化的反应策略。相关成果“Amorphous/Crystalline Heterojunction Ni(OH)₂/Cu₂O(111) for Photoelectrocatalysis NO₃⁻-to-NH₃: Positive Onset Potential, High Selectivity, and Complete Conversion”以Research Article形式发表于国际化学领域权威期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition, 2026, e3509008）。

在这一研究中，研究团队创新性地采用点缺陷异质结与界面工程策略研制了一种由Cu−O_v−Ni键合的非晶/晶相异质结Ni(OH)₂/Cu₂O光电催化剂。研究表明，Ni(OH)₂/Cu₂O以高NH₃产率（1316.1 μmol h⁻¹ cm⁻²）实现了快速且完全的NO₃⁻转化，并展现出稳定的法拉第效率（>99%）和高选择性（>97%），伴随着优异的正起始电位（0.322 V vs. RHE）。进一步研究表明，在不同反应电位下，光电作用模式从电助光催化转变为光助电催化，更高电位下呈现光电协同催化过程。载流子动力学分析阐明了Cu₂O→Ni(OH)₂的内建电场是诱导平均电子寿命延长和性能增强的原因之一，展现了约100%的光吸收效率和约90%的高电荷分离效率。而同位素追踪测试则证实了氮源与其主要产物。

研究进一步利用原位红外光谱、原位拉曼光谱和原位在线质谱等揭示了反应路径与内在机制：Cu₂O在低电位下产生载流子并促进决速步骤（Cu−O···*NO₃⁻→Cu−O···*NO₂⁻）进行，随后Ni(OH)₂获得光生电子形成负电层，并在高电位下实现电子与*H的双重捕获，促进了质子化过程发生（Ni−O···*NO₂⁻→Ni−O···*NO→Ni−O···*NOH→Ni−O···*NH₂OH→Ni−O···*NH₂→Ni−O···*NH₃）。该研究明确了非均相异质结的光电催化界面调控催化剂的晶格配位与电子结构，为突破以水为介质的光电催化反应性能提供了新范式。

该研究在实际化肥厂工业废水中的应用中展现出卓越性能：实现了90%的NO₃⁻去除率和90%的NH₃产物选择性，NH₃产率高达4.72 mmol h⁻¹ cm⁻²，并且在宽pH范围和不同浓度的阴/阳共存离子下具有很好的抗干扰性能。通过原位同步辐射载流子动态追踪研究证实了Cu和Ni的电荷转移过程，在电位驱动下Cu−O_v−Ni结构提供了稳定的Cu→Ni→N的电子轨道传输路径和级联催化位点。在连续10个催化反应循环中，NO₃⁻去除率> 95%， NH₃选择性> 91%， NH₄⁺产率达到1.31 ± 0.06 mmol h⁻¹ cm⁻²，通过实践验证了该技术在未来绿色能源自供给应用中具有很好的可推广性及环境修复的潜力。

上述研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和上海光源重点课题研究项目等的支持。赵国华教授为论文的通讯作者，硕士生王岚为论文第一作者。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.3509008