北京师范大学化学学院教授王文光课题组在JACS发表重要研究成果：铁-钼协同催化电化学还原亚硝酸根选择性转化研究

在自然界氮循环中，亚硝酸根（NO₂⁻）还原为一氧化氮（NO）是反硝化过程的关键步骤；这一转化主要由铜-亚硝酸盐还原酶、血红蛋白酶以及钼-黄嘌呤氧化酶等金属酶催化完成。发展仿生分子催化剂以研究电化学条件下NO₂⁻的质子-电子转移还原反应，不仅对有助于理解酶催化机制，还能将能源储存利用与氮氧化物、氨等含氮小分子的定向转化相结合，为人工调控氮循环提供新策略。然而，早期研究表明电催化NO₂⁻还原为NO反应存在显著的选择性挑战：通常易生成N₂O、N₂、NH₂OH和NH₃多种副产物，且产物分布受反应介质、pH值和电位等多种因素的强烈影响（图1a）；导致NO生成的催化效率（TOF）普遍低于20 s⁻¹。

图1 分子金属催化剂实现亚硝酸盐选择性还原为一氧化氮的机制对比

研究表明，催化剂与NO₂⁻的配位模式对反应路径具有决定性影响。以铁基催化剂为例，其通过Fe-NO₂配位形成Fe(II)-NO中间体，但由于该物种稳定性过高，往往导致过度还原生成NH₂OH和NH₃。与之形成鲜明对比的是，钼-黄嘌呤氧化酶通过Mo-ONO配位模式（图1b）实现高效NO释放。这种配位模式的差异性启发了研究者对Fe-Mo双金属协同催化体系的探索。

近期，王文光课题组联合中山大学教授叶生发、华中科技大学教授廖荣臻课题组，报道了一种Fe(II)Mo(IV) 双金属电催化剂。该催化剂在NO₂⁻还原反应中表现出卓越性能：TOF值高达10³ s⁻¹，NO选择性达93.8%，创下单相催化剂最高活性纪录。机理研究表明（图1c），Fe-Mo双中心通过动态配位协同作用，一方面促进N-O键的高效断裂，另一方面通过Mo(IV)捕获NO有效抑制Fe(II)-NO中间体的过度还原，从而实现了电子-质子转移过程的精准调控。这一发现为含氮小分子的高选择性转化提供了新范式。

相关研究成果以”Synergistic Iron-Molybdenum Effects for Selective Electrocatalytic Reduction of Nitrite to Nitric Oxide”为题发表于《Journal of the American Chemical Society》（J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c07512）。北京师范大学化学学院为第一完成单位，博士研究生彭志强为第一作者，王文光教授、叶生发教授和廖荣臻教授为共同通讯作者。研究获得国家自然科学基金、北京师范大学化学学院等资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5c07512