Small:为”氮”而生——构建Au25-Cys-Mo用于高效电化学固氮

氨(NH3)是重要的氮源肥料和高效的能量载体。传统的NH3合成工艺主要通过Haber-Bosch工艺生产。但由于N≡N三键较强的键能(941 kJ mol-1),活化N2分子,使其与H2反应生产NH3是极具挑战的过程。因此,该反应一般需在高压、高温(150–350 atm,400–600 °C)等苛刻条件下进行。近年来,通过与可再生能源技术相结合,在常温常压条件下将氮气转化为氨的电化学氮还原反应(NRR)表现出极大的潜力。但是,如何构建高效的电化学固氮催化剂,在常温常压条件下提高其在反应过程中的活性和选择性仍然是一个相当具有挑战的课题。

最近,大连化物所丁云杰教授课题组和浙江师范大学胡勇教授课题组合作,利用一种独特的嫁接修饰策略,采用含硫醇官能团的半胱氨酸(Cys)作为保护剂和侨联剂,将具有金属活性位点的阳离子(如:Mo6+, Fe3+, Co2+, Ni2+)锚定在Au25原子团簇上,并将合成的Au25-Cys-M催化剂用于电化学合成氨反应。研究表明,Au25-Cys-Mo催化剂在0.1 M HCl溶液中表现出最高的法拉第效率(26.5%)和最大的氨产率(34.5 µg·h−1·mgcat-1)。一系列精细表征结果证明,Au25-Cys-Mo催化剂通过形成Au-S-Mo结构以此优化Mo的电子性质,进而作为氮还原反应活性位点,提高其在电催化合成氨中的反应效率。密度泛函理论计算结果表明,相比于Au25原子簇,Au25-Cys-Mo催化剂与N2分子之间具有更强的相互作用,并且在电化学合成氨反应中具有更低的表面势垒。因此,Mo原子的加入可以加速反应的进行,促进反应过程中氨的产生。研究者相信,该工作将会准设计高效NRR电催化剂提供了新的视角。

丁云杰教授和胡勇教授为论文共同通讯作者。

论文信息:

Fabrication of an Au25-Cys-Mo Electrocatalyst for Efficient Nitrogen Reduction to Ammonia under Ambient Conditions

Yuan Tan, Lei Yan, Chuanqi Huang, Wenna Zhang, Haifeng Qi, Leilei Kang, Xiaoli Pan, Yijun Zhong, Yong Hu,* and Yunjie Ding*

Small

DOI: 10.1002/smll.202100372