近日，我校环境学院刘艳彪教授团队在国际顶级期刊《自然-水》（Nature Water）上发表题为“Steering the nitrate electroreduction pathway via nanoconfinement-induced hydrogen-bond network regulation”的研究论文，实现了电催化硝酸盐还原制氨效率和选择性的重大突破。该研究工作中，分析测试中心电镜平台提供了关键的表征技术支撑，为揭示纳米限域微环境的原子尺度结构信息发挥重要作用。
科研突破：废水变“化肥”，纳米限域重构反应路径
电化学硝酸盐还原制氨是一项兼具环境修复与清洁能源转化双重价值的可持续技术。然而，传统工艺面临反应路径复杂、选择性低、动力学迟缓等挑战，如何精准调控反应界面微环境成为领域内亟待解决的核心科学问题。
刘艳彪教授团队创新性地提出：利用纳米限域效应从根本上重组界面氢键网络，将反应路径从传统的氢原子介导机制转向高效的质子耦合电子转移过程。研究团队采用闪蒸焦耳热法，将CuCo合金纳米颗粒精准封装在多壁碳纳米管内部通道中（CuCo-in-CNT），构建了独特的“贫水、富硝酸盐”限域微环境。该结构实现了2.23 mg h⁻¹ cm⁻²的优异氨产率和93.8%的法拉第效率，性能显著超越非限域对照样品及大多数已报道催化剂。
通过原位光谱分析与理论模拟，研究团队进一步揭示了限域空间内界面水分子氢键网络的重构机制——正是这种原子-分子尺度的界面环境重组，有效抑制了竞争性析氢反应，同时通过直接质子穿梭路径促进了硝酸盐中间体的选择性氢化。该工作确立了纳米限域作为调控电催化界面微环境的普适性设计原则，为废水修复与碳中和氨合成的耦合开辟了新路径。
图1 NO₃RR与原位NH₃回收示意图。a，常规NO₃RR过程。b，当前主流的氢原子转移主导路径。c，本研究提出的PCET主导路径。
电镜平台：原子尺度洞察限域结构
在这项研究中，CuCo合金纳米颗粒是否被成功封装于碳纳米管内部、其原子尺度配位环境如何，是验证纳米限域效应的关键前提。分析测试中心电镜平台为该核心科学问题的解答提供了决定性技术支撑。
依托电镜平台的冷场场发射透射电镜（型号：Talos F200X），研究团队清晰捕捉到CuCo合金纳米颗粒在碳纳米管空腔内的空间分布特征。高分辨图像中，碳纳米管内壁与合金颗粒的边界轮廓清晰可辨，直观证实了纳米颗粒被选择性封装在管内而非负载于外壁。通过对多个独立样品区域和不同批次的系统观察，研究团队确认了该限域结构的高度可重复性，为后续机理阐释奠定了坚实的结构基础。
结合电镜平台的X射线能谱与电子能量损失谱等分析手段，研究团队进一步解析了CuCo合金的化学态与电子结构特征，厘清了合金化对硝酸根活化能力的促进机制。这些原子级精度的表征数据，与同步辐射X射线吸收谱、原位红外光谱等互为印证，共同构建了从“原子结构-界面环境-反应路径-宏观性能”的完整证据链。
图2 CuCo-in-CNT和CuCo-out-CNT的表征和配位结构信息。a，描绘CuCo-in-CNT制备路线的示意图。b，CNT、CuCo-in-CNT和CuCo-out-CNT的粉末XRD图谱。c，CuCo-in-CNT的代表性高分辨率TEM图像，其中圆圈表示CuCo合金纳米颗粒，箭头表示选择用于局部放大的区域。d，c中框选区域的局部放大图像，虚线框表示选择用于进一步放大的区域，实线轮廓描绘了CNT内壁与CuCo合金纳米颗粒之间的边界。代表性高分辨率TEM图像选自多个独立样品区域。e，CuCo-in-CNT和CuCo-out-CNT的CuLMM俄歇谱。
平台建设：锻造科研新优势
2025年10月，分析测试中心电镜平台正式启用，标志着我校在物质微观结构表征领域的研究条件实现跨越式提升。平台现有球差电镜等空间分辨率达到原子级的顶级设备，能够实现材料原子尺度的成分、价态与电子结构信息分析，为多学科前沿探索提供了强有力的技术支撑。
中心始终致力于打造世界一流的集成分、结构、形貌和性能分析于一体的综合性材料分析平台。此次电镜平台助力高水平研究成果发表于《自然-水》（Nature Water），是对中心技术支撑能力的有力证明。未来，中心将持续深耕电镜技术，优化共享服务机制，为学校创新人才培养、学科新优势锻造提供更坚实的技术保障。
相关论文信息：
论文题目：Steering the nitrate electroreduction pathway via nanoconfinement-induced hydrogen-bond network regulation
DOI：10.1038/s44221-026-00600-5
