Advanced Functional Materials: 配位调控原子级分散催化剂在常温常压下合成氨

氨是一种重要的化工原料,广泛应用于工业、农业,同时,也是一种重要的储能中间体和无碳能源载体。在过去的1个多世纪里,Haber-Bosch法合成氨占据着绝对的主导地位,但是该方法要在高温高压(300~500 ℃、200~300 atm)下进行,耗能大,年均能耗约占世界能源总消耗的1~2%,且排放大量的CO2(约占温室气体年排放量的1.5%)。最近,常温常压下电催化氮还原合成氨引起广泛的关注,该方法以直接水和氮气作为原料,有着实现绿色、低成本合成氨的巨大潜力。然而由于析氢电位和氮还原电位非常接近,竞争性的析氢反应会严重制约常温常压下的电催化氮还原合成氨的效率。因此,开发处一种能够高效活化氮气分子且具有高的合成氨选择性的催化剂是推进该技术发展的关键。

近日,澳大利亚纽卡斯尔大学马天翼课题组与美国德克萨斯大学奥斯汀分校,澳大利亚联邦科学与工业组织及福建师范大学等单位合作,制备出高分散的氮配位钌单原子催化剂(Ru SAs/g-C3N4),并将其应用于电催化氮还原,获得了优异的活性和选择性。实验表明:常温常压下,Ru SAs/g-C3N4催化剂在相对标准氢电极0.05 V的低电位下,其产氨速率达到23.0 µg mgcat.−1 h−1,法拉第效率高达8.3%,且这两项指标都明显优于纳米颗粒形式分散的钌。实验和理论计算研究进一步揭示:相较于钌纳米颗粒,Ru SAs/g-C3N4的优异的氮催化活性和选择性源于其催化活性位点具有更强的氮气吸附能力及更弱的析氢表现。该项研究工作从催化剂设计的角度为进一步提高电催化氮还原反应的选择性提供了新的思路和想法。相关论文以“Tuning the Catalytic Preference of Ruthenium Catalysts for Nitrogen Reduction by Atomic Dispersion”在线发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201905665)。