氨（NH3）作为化肥之源与氢能载体，其绿色合成关乎能源与粮食双重安全。传统的Haber-Bosch工艺依赖高温高压，能耗巨大且碳排放高。相比之下，利用可再生能源驱动的电催化硝酸根还原（NO3RR）技术，不仅能常温常压合成氨，还能同步消除水体硝酸盐污染，是实现“变废为宝”的理想路径。铜（Cu）基材料因独特的电子轨道结构，被认为是极具潜力的候选者。但在实际反应中，铜基催化剂面临两大痛点，反应易停留在亚硝酸盐（NO2−）阶段，导致副产物积累；复杂的八电子/九质子转移过程中，活性氢（*H）供应不足，阻碍了氮中间体向氨的完全加氢。如何平衡“氮中间体吸附”与“活性氢按需供给”，成为破局关键。
近日，中心团队开发了一种硫桥连接的原子级铜/硫化钴（Cu-Co3S4）双活性中心催化剂，该设计通过构建独特的“分工协作”与“桥梁搭建”机制，实现了催化性能的飞跃。其中，Co3S4基底利用其不饱和配位环境促进水分子解离，持续供给*H；Cu单原子靶向吸附并活化硝酸根及含氮中间体；硫原子作为“桥梁”，引导活性氢从Co位点反向溢流至Cu位点，精准供给氮中间体进行加氢反应。理论计算与实验证实，硫桥介导“反向氢溢流”机制突破了活性氢供需平衡的瓶颈，从而在加速含氮中间体加氢动力学的同时，有效抑制了竞争性析氢反应。
实验结果显示，优化后的Cu1.01wt%-Co3S4催化剂在−0.8 V电位下，氨产率高达94.52 mg h−1 mgcat.−1（面积归一化达18.90 mg h−1 cm−2），法拉第效率（FE）达到95.18%，处于同类研究领先水平。在−200 mA cm−2的工业级电流密度下，连续运行300小时性能无明显衰减，展现出极佳的实际应用潜力。动力学测试验证了Co3S4基底解离水提供质子及Cu单原子吸附活化硝酸根的协同作用。原位表征技术捕捉到Cu-Co3S4表面进行硝酸根还原过程中的关键含氮中间体；结合DFT计算进一步阐释了其反应机制，即Co位点利于水解离产生*H，而S位点则作为稳定的传输桥梁，将*H强吸附并输送至相邻Cu位点，协同驱动硝酸根向氨的高效转化。并且，在Cu载量为1.01 wt%的Cu-Co3S4上，热力学决速步（*NO → *NOH）的能垒显著降低至0.90 eV，远低于纯Co3S4（1.33 eV）和Cu单原子催化剂（1.31 eV），进一步揭示了其本征活性优化的内在原因。此外，将催化剂组装应用于锌-硝酸根电池中，开路电压高达1.49 V，峰值功率密度达16.13 mW cm−2，能够驱动温湿度传感器长时间工作，并成功点亮“ZZU”LED灯牌；同时具有优异的二次电池的特性，长时间循环充放电性能稳定。该工作实现了“污染治理+绿色合成+能源存储”的三重功能集成，为未来分布式绿色能源系统的设计提供了新思路。相关成果以“Sulfur-Bridge Engineering Enables Reverse Hydrogen Spillover to Atomic Cu for Nitrate-to-Ammonia Electrocatalysis”为题，于2026年3月18日发表于国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上，https://doi.org/10.1002/anie.7688164。
第一作者：
李若男，郑州大学2022级博士研究生，师从周震教授，主要从事电化学合成氨高效催化剂的开发与设计，反应机理研究及工业化应用探索。
通讯作者：
张利利，郑州大学化工学院副教授，硕士生导师。博士毕业于华南理工大学，2019年7月入职郑州大学化工学院。主要研究领域为电催化工程，聚焦电化学反应过程中电极表界面活性位点的动态演变、催化机制及反应动力学研究。先后主持中国博士后科学基金特别资助（站前）项目、中国博士后科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金项目。在Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、Small和Chem. Sci.等期刊发表论文30余篇。
焦梦改，郑州大学化工学院副研究员，博士生导师。2016年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室，于2021年10月入职郑州大学化工学院。多年来主要从事功能材料计算模拟和重要能源转化过程中催化材料设计及相关催化机制的理论计算研究。先后主持国家自然科学基金面上项目与青年基金、中国博士后科学基金面上项目、河南省高等学校重点科研项目等项目。目前，在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Sci.、ACS Nano、Chinese J. Catal.、Green Energy Environ.等期刊发表论文60余篇，单篇引用最高780余次。
周震，长江学者、享受国务院政府特殊津贴专家。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究。通过高通量计算、实验与机器学习相结合揭示电化学储能新机制，设计系列锂/钠离子电池固态电解质和电极材料，构筑可充电Li-CO2电池储能新体系。在国内外期刊发表论文350余篇。论文被引用52000余次，h-index为129。2014-2025年连续12年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2025年连续8年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy & Environment等期刊副主编、Journal of Power Sources编辑以及Batteries & Supercaps和《中国稀土学报》等期刊编委以及中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员、中国自然资源学会资源循环利用专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。
