第一作者：韩丽丽博士、刘熙俊博士、陈金苹女士

通讯作者：罗俊教授、Radoslav Adzic教授、忻获麟教授

通讯单位：天津理工大学、美国布鲁克海文国家实验室、美国加州大学欧文分校

研究亮点：

1. 设计并成功制备负载在三维多孔碳衬底上的高负载量Mo单原子催化剂。

2. 成功实现优异的室温电催化氮还原成氨产率（34.0±3.6 μg_NH3 h^-1 mg_cat.^-1）和法拉第效率（14.6±1.6%）。

绿色固氮研究的重要性

将自然界中丰富的氮气固定成氨是解决粮食问题和生产无碳燃料的最重要和最具挑战性的化学反应之一。目前，工业上主要利用 Haber-Bosch 过程来完成此反应，该过程要求苛刻的反应条件（400-600 °C和20-40 MPa）、并会导致环境污染和温室气体排放。与之显著不同，电催化氮气还原成氨是一种很有前途的更清洁、更可持续的无碳策略。

本研究拟探索的问题

然而，电催化氮气还原成氨的传统催化剂在水性电解液中存在竞争的析氢反应，导致氮气转化成氨的效率受到显著影响。目前，多种贵金属基、非贵金属基和无金属催化剂相继被开发用于电催化氮气还原反应，它们的进展表明，发展能克服析氢反应竞争性的低成本催化剂、并获得氮还原成氨的高法拉第效率和高产率依然是当前学术界的关键议题之一。

成果简介

有鉴于此，美国加州大学欧文分校忻获麟教授课题组、天津理工大学罗俊教授课题组、美国布鲁克海文国家实验室Radoslav Adzic教授课题组开展合作，设计并成功制备固定在氮掺杂三维多孔碳上的Mo单原子催化剂，为绿色高效电催化固氮提供一条新思路。

图1.表征Mo单原子催化剂

要点1：原子级分散催化剂的表征

利用球差校正透射电子显微镜、能谱仪和电子能量损失谱仪，研究团队从微观尺度证明了Mo单原子负载在氮掺杂的多孔碳上，并发现Mo的价态为+4和+6、以及单原子Mo的键合方式为Mo与N或者C相连接。

图2.同步辐射XANES谱和XPS谱

要点2：优异的电催化固氮性能

研究团队将这种催化剂应用于电催化氮气还原成氨反应，获得了优异的电催化性能：受益于氮掺杂衬底的三维多孔网络结构和高密度的Mo单原子活性位，这种催化剂在0.1 M的室温KOH水性电解液中表达出高的氨产率（34.0±3.6 μg_NH3h^-1 mg_cat.^-1）和法拉第效率（14.6±1.6%），这两个性能在电催化氮气还原成氨的非贵金属基催化剂中处于目前为止的世界高水平之列。同时，该催化剂具有很高的电催化稳定性，其催化电流在50000秒的电催化过程中没有明显下降。

图3.电催化氮气还原成氨性能

小结

总之，这项研究为非贵金属基催化剂电催化氮气还原成氨提供了一条高效稳定的单原子基设计新思路。

参考文献：

Lili Han, Xijun Liu, Jinping Chen et al. Atomicallydispersed Mo catalysts for high-efficiency ambient N₂ fixation. AngewandteChemie International Edition 2018.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201811728