极性反转钙钛矿LaFeO3 通过强化吸附效应提升硝酸盐电催化还原性能

　　本研究针对工业废水中硝酸盐(NO3 ? -N)污染问题，创新性提出极性反转策略原位蚀刻钙钛矿LaFeO3 （LFO-PI），通过形成La/O空位(LaVs/OVs)显著提升表面电位和d带中心，使NO3 RR效率较原始材料(LFO-Pri)提高5.2倍。该绿色改性方法避免了外源酸使用，为钙钛矿电催化剂设计提供了新思路，并拓展至ORR等催化领域。

　　

硝酸盐污染已成为威胁生态环境和人类健康的重大挑战，工业废水、农业径流和军事活动中产生的硝酸盐在自然水体中持续积累。传统处理方法面临能耗高、二次污染等问题，而电催化硝酸盐还原反应(NO₃
RR)因其环境友好、可耦合可再生能源等优势备受关注。然而，该技术的核心瓶颈在于硝酸盐在电极表面的吸附效率不足，导致催化活性受限。虽然通过氧空位(OVs)调控可改善吸附性能，但现有酸蚀刻方法依赖强酸试剂，违背绿色化学原则。

广东省某研究团队在《Journal of Materials Science》发表的研究中，创新性地提出"极性反转"策略对钙钛矿LaFeO₃
进行原位改性。通过将电极短暂作为阳极产生H⁺
实现自蚀刻，成功构建La/O双空位体系。改性后的LFO-PI材料在90小时连续测试中展现出卓越稳定性，NO₃
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-N去除效率达原始材料的5.2倍，为钙钛矿电催化剂设计开辟了新路径。

研究采用溶胶-凝胶法制备LaFeO₃
，通过XRD、ICP-MS、EPR等技术确认La³⁺
选择性溶出形成LaVs/OVs。结合KPFM表面电位分析和DFT计算，阐明空位诱导的d带中心上移机制。30次循环实验验证方法的可重复性，MD模拟揭示空位对NO₃
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的吸附强化效应。

催化剂表征
XRD显示极性反转后(110)晶面衍射峰左移0.2°，晶格膨胀证实La³⁺
溶出。EPR谱g=2.003信号增强3.1倍，直接证明OVs浓度提升。XPS证实Fe³⁺
/Fe²⁺
比率升高，电子结构发生重构。

电化学性能
在-1.2 V vs. RHE电位下，LFO-PI的NH₃
产率达28.7 μg h^?1
mg_cat
^?1
，法拉第效率提升至81.5%。原位FTIR检测到NO₂
和NH₂
中间体，证实空位促进反应动力学。

机理研究
KPFM测得LFO-PI表面电位正移0.35 V，增强NO₃
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静电吸附。DFT计算显示空位使Fe-3d轨道d带中心上移1.2 eV，强化硝酸盐的化学吸附。电荷密度差分图揭示OVs位点存在电子积累区。

该研究突破传统酸蚀刻的局限性，通过电化学极性反转实现钙钛矿材料的自优化。空位协同效应使吸附能降低0.48 eV，过渡态能垒下降36%，这为理解NO₃
RR构效关系提供新视角。方法可拓展至SrFeO₃
等钙钛矿体系，在废水处理与绿色合成氨领域具有应用潜力。研究团队特别指出，该策略通过避免强酸试剂使用，使生产成本降低62%，符合可持续发展要求。