电催化还原在温室气体减排、全球氮循环平衡、可持续供水和绿色化学品生产等方面至关重要。该过程中，H*与反应物的亲核反应是关键，但H*与N-O、C-O、C-Cl等高键能化学键反应时，存在高能量壁垒，导致反应动力学缓慢、H*利用效率和法拉第效率低。受生物催化中，酶能在温和条件下高效活化底物，效率远超化学催化启发，刘睿课题组结合Fe₂N-Fe₃O₄内建电场（BEF）与Pd催化，设计了Pd/Fe₂N-Fe₃O₄，用于电催化还原脱卤处理卤代污染物。

图. 利用原位拉曼探究碳氯键在内建电场中的极化。

理论计算与原位拉曼光谱证实模型污染物2，4-二氯酚（2,4-DCP）分子吸附在Pd位点，并在BEF内发生极化，其中C₄-Cl键被选择性活化，键长从1.73 Å伸长至1.82 Å, 从而大幅降低还原脱卤过程的能垒。在电催化脱卤中，Pd/Fe₂N-Fe₃O₄利用2.5 μg cm^-2Pd（比传统Pd/C催化剂低100-400倍）即可实现污染物的高效去除，且法拉第效率超过20%。机制研究表明，Pd/Fe₂N-Fe₃O₄催化2,4-DCP的加氢脱氯反应过程中，除了经典的H*介导的间接电化学还原路径外，还存在质子-电子耦合转移路径。本研究对BEF在反应物活化中作用的深入理解，以及将BEF与贵金属相结合模拟酶的策略，为设计高效去除环境污染物的电催化剂提供了新思路。

该论文的第一作者为博士研究生冉维和赵华超（重点实验室毕业博士生，武夷学院青年教师），通讯作者为刘睿研究员。研究工作得到了国家自然科学基金以及中科院青促会优秀会员的支持。

Combining a Pd Cluster and a Built-in Electric Field as a Biomimic for Stable C−Cl Bond Polarization.

Wei Ran+, Huachao Zhao+, Xiaoling Zhang, Ning Chen, Jie-Fang Sun, Wenxiao Pan, Jingfu Liu, Chunyang Liao, Rui Liu*, Guibin Jiang.

ACS Nano, 2025.

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c04994