合成氨的出现为世界上数十亿人提供了食物。因此，合成氨的研究，特别是在室温和常压下的合成氨，一直是化学家们关注的焦点。在环境条件下将氮电还原为无碳氨是一种有望替代在工业上广泛使用的高耗能HaberBosch工艺的方法。电催化合成氨工艺中最关键的一步是高选择性和高效催化剂的合成。3d-过渡金属（TM）是一种高效的氮还原催化剂。然而，目前对三维过渡金属材料作为高效ECNRR催化剂的研究还没有引起广泛关注。而且已报道的ECNRR电催化剂的催化性能（如YNH₃和FE）仍然很低，应用潜力非常低。均相催化剂被认为在环境条件下具有很大的选择性NRR潜力，但其稳定性和产率较低，不适合高效电催化。另一方面，多相催化剂在环境条件下对ECNRR具有较高的稳定性，且易配备能量转换装置，但面临ECNRR与析氢反应(HER)之间的竞争，造成严重的选择性损失。目前尚未发现具有高选择性、高效率、高YNH3和高稳定性的催化剂。将金属催化剂与碳材料结合形成的界面已被认为是提高催化性能的重要途径。石墨炔(GDY),一个新颖的二维碳同素异形体，具有独特的多孔结构，不均匀分布的表面电荷，（电）化学稳定性和高电导率，在催化，能量转换和存储方面的广泛应用受到越来越多的关注。值得注意的是，GDY可以在任意基底上生长，可以通过界面工程改善电荷转移并且增加活性位点数量，从而有望显着增强整体催化活性和稳定性。

有鉴于此，中科院化学部的李玉良院士、Yongjun Li和Yurui Xue以及香港理工大学的黄勃龙教授等人，设计制备了一种具有高活性和选择性界面的自支撑3D石墨炔-钴氮化物(GDY/Co₂N) 阴极，用于电化学氮还原反应(ECNRR)。

本文要点

1）3D自支撑GDY/Co₂N阴极在酸性和中性条件下于环境压力和室温下对NH₃合成具有很高的选择性和效率。实验上，在大气压和室温下，电催化剂在酸性条件下创造了219.72 μgh^-1mg_cat^-1的氨产率（Y NH3）和58.60％的法拉第效率（FE）的新记录，高于已报道的其他电催化剂。

2）此外，这种优异的催化性能可分别在酸性和中性条件下维持114和144小时以上，表现出优异的催化稳定性。

3）密度函数理论(DFT)计算表明，界面键合的GDY提供了一个独特的p电子特性来优化Co‐N复合表面键合，从而在界面区域产生了NRR催化的优越电子活性，从d到pσ*态跃迁的反常减小将固N₂的能垒最小化。

总之，该工作设计制备的催化剂有望为电催化研究带来新思路，推动电催化领域的快速发展。

参考文献：

Yuliang Li et al. Graphdiyne interface engineering: highly active and selective ammonia synthesis. Angew., 2020.

DOI: 10.1002/anie.202004213

https://doi.org/10.1002/anie.202004213