近日，電子科技大學特聘研究員晉兆宇和團隊提出并實現了一種新型光熱-電催化協同界面系統。這一系統的核心是一種“Janus 結構”雙功能電極，一面負責將廢水或空氣中的含氮物質（如硝酸鹽）電催化還原為氨，另一面則通過光熱效應加熱界面，使生成的氨快速蒸發分離。通過這種“邊反應、邊分離”的協同機制，該團隊成功突破了電化學合成氨過程中“產物濃度低、分離效率差”的關鍵難題。

圖 | 晉兆宇（晉兆宇）

實驗中，其利用該系統將廢水甚至是空氣中的氮源進行處理并提取出了高濃度純氨，其純度和濃度可直接驅動氨燃料電池穩定輸出電能。

除了器件上的突破，該團隊也發現了幾個重要的新現象和新機制。例如，其證明了調節界面的光熱和潤濕特性可以大幅提高氨的蒸發效率；并通過原位掃描電化學顯微鏡技術，直接觀察到了光熱場如何加速氨的釋放過程。這些發現不僅為提升電催化反應效率提供了新方法，也為今后其它低沸點產物的同步合成與提純提供了新思路。

簡而言之，該團隊的工作不僅提出了一種更綠色、更高效的環境氮資源利用方式，也為“多場耦合電催化”這一方向打開了新的研究窗口。

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晉兆宇認為該成果最具潛力的應用方向，是在工業或農業廢水中氮資源的回收利用。通過將該團隊提出的光熱-電催化協同界面系統嵌入到廢水處理流程中，可以實現對硝酸鹽等含氮污染物的就地轉化與高純氨產物回收。這種“邊治理、邊產出”的模式，不僅能夠減少水體污染負擔，更能夠將原本被視為污染物的氮轉化為有價值的能源或肥料原料，推動傳統廢水處理從“去除”走向“資源化”。在碳中和和資源循環的大背景下，這項技術有望成為未來氮循環治理體系中的關鍵單元。

據了解，當前全球范圍內對清潔能源與資源循環利用的需求愈發迫切，而氨（NH3）正是連接“能源—資源—環境”三重目標的關鍵節點。一方面，氨是全球農業生產不可或缺的化肥原料；另一方面，氨也被廣泛視作一種前景廣闊的零碳燃料載體，適用于氫能儲運及直接燃燒發電。但現實是，氨的傳統合成方式（Haber-Bosch 工藝）仍然高度依賴化石能源，需在高溫高壓條件下運行，每年排放的二氧化碳約占全球碳排放的 1–2%。這種集中化、大型化、高能耗的工藝體系，不僅造成了巨大的碳足跡，也難以滿足分布式、小規模氨需求的增長趨勢，尤其在欠發達地區尤為突出。

與此同時，大量含氮廢棄物正以各種形式存在于人類環境中，諸如農業尾水、工業廢水以及城市排放中普遍富含硝酸鹽和氨氮等活性氮。這些物質如果得不到妥善處理，不僅會引發水體富營養化、土壤酸化和空氣污染，還意味著寶貴氮資源的流失。事實上，當前全球人為固定的氮已超過自然固氮總量，造成氮循環嚴重失衡。該團隊因此思考：能否從環境中“回收”流失的氮資源，將其重新轉化為可利用的高價值氨產品？

圍繞這一問題，該團隊長期關注“能源與環境可持續發展”方向，嘗試以電化學還原方式將環境中的氧化態氮還原為氨。這一過程理論上具有綠色、高效、原位的優勢，但在實踐中始終面臨兩個關鍵瓶頸：一是現有電催化體系在常規條件下生成的氨濃度過低，難以滿足實際使用需求；二是氨產物難以高效分離與富集，進一步抬高了系統的整體能耗與成本。

因此，本項研究正是基于電催化制氨濃度低、分離難、效率低下這類長期未解的技術挑戰出發，該團隊希望通過引入“光熱耦合”的設計思路，構建一種可同時提升電催化反應效率與產物提取能力的新型功能界面，實現對低濃度氨產物的原位富集與直接提純。其目標不僅是提高氨的生成速率和回收效率，更是希望探索一條從環境到燃料的氮資源閉環利用路徑，為可持續發展提供全新技術方案。

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在整個研究過程中，最讓晉兆宇印象深刻的是從原理設想到實驗驗證的這一完整過程。他和團隊最初提出了一個設想：是否可以通過引入光熱場，輔助電催化反應過程，從而提高氨的生成速率，并促進其在界面上的快速釋放？雖然這一思路在理論上是可行的，但在實踐中，他們面臨著大量工程與機制上的不確定性。

在課題推進過程中，晉兆宇與學生反復討論，每一個實驗設計和現象解析都圍繞“界面反應—傳輸—分離”的耦合機制進行逐層拆解。比如，他們曾長期困惑于氨濃度難以提升的現象，最終通過調控光熱層的導熱結構和界面潤濕性，實現了氨分子的快速脫離和富集，性能提升非常顯著。

更關鍵的是，在研究中他們還得到了德國德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授的悉心指導。“余老師課題組在太陽能水蒸發與界面凈化方面的長期積累，為我們理解界面熱場調控如何影響氣-液分離過程提供了重要啟發。通過與余老師的交流，我們進一步優化了界面結構設計，特別是在熱傳輸路徑、界面張力控制等關鍵參數上取得了突破，成功解決了氨在反應過程中易滯留、難以分離的問題。”晉兆宇表示。

在相關論文的評審過程中，該團隊收到了多位同行的積極反饋。其中，一位審稿人評價道：“作者提出的光熱-電催化協同界面是應對低濃度氨產物分離挑戰的創新方案，成功實現了從空氣與廢水中持續提取高純氨的目標，并直接應用于氨燃料電池，具有重要的科學意義與應用前景。”另一位審稿人則指出：“該工作通過材料驅動和多物理場耦合策略，建立了一個新穎且實用的電催化系統，不僅概念先進，而且系統設計全面、邏輯清晰，在可持續能源與氮循環研究中具有重要參考價值。”這兩條評價充分肯定了該團隊在方法創新與系統集成方面的探索，也體現出評審專家對本成果在綠色能源與資源回收領域應用前景的高度認可。

目前，該團隊已經圍繞這一研究開展了后續的系統性計劃，首要目標是進一步深化對光-熱-電多場耦合界面的基礎機制理解。接下來，其將重點構建一套多場協同條件下的原位表征平臺，結合課題組長期發展的原位電化學滴定分析技術，實現對反應界面上中間體生成、遷移與轉化過程的動態可視化和定量解析。

通過這一平臺，其希望加快高性能多功能集成界面材料的篩選與發現，建立從機制認知到材料開發的閉環體系。同時，該團隊也在探索將該策略拓展應用于其他低沸點電合成產物體系，并計劃開展小型集成化裝置的初步示范驗證，推動這一概念向更具實用性的能源與資源回收場景轉化。

參考資料：

Wang, P., Li, P., Pan, Z. et al. Photothermal-electrocatalysis interface for fuel-cell grade ammonia harvesting from the environment.Nat Commun16, 5581 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60636-1

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