开发高活性的固氮单原子催化剂有较大意义，但是同样存在巨大挑战，由于目前没有能够控制单原子催化剂电场的策略，导致其催化活性和反应选择性都存在一定问题。有鉴于此，中科大江俊等报道了通过第一性原理计算了包裹在六方氮化硼和石墨烯之间的单个过渡金属原子，考察了固氮反应的电催化性能。该三明治夹心结构非常稳定，能够实现过渡原子上构建稳定和可调控的界面极性电场，该电场作用能够使得过渡金属向相邻硼原子转移电子，因此B原子的部分占据p_z轨道会和N₂的反键轨道形成B-N的π反馈键，活化N₂分子的N≡N。此外，作用于BN界面的电场进一步促进了N₂分子吸附和活化。作者发现该体系中的固氮催化性能和过渡金属中的极性电荷有较强的关系，其中Ti、V过渡金属三明治夹心结构催化剂显示可能有较高的稳定性，可能产生较高的催化活性，而且能够抑制竞争性制氢反应。

本文要点：

（1）

考察了不同过渡金属的固氮反应极限电位（limiting potential）和极化电荷之间的火山关系图，发现优化的金属为Ti、V、Zr几种，随后考察了HER竞争性反应的自由能，给出了固氮极限电位和固氮反应选择性（固氮反应与制氢反应之间的差值）之间的关系。

（2）

对不同过渡金属的催化性能模拟后发现，当过渡金属-BN界面上的极化电场在强弱适中的条件中关键中间体物种*N-NH的吸附强度最有利。

（3）

以上研究结果展示了一种活化惰性BN材料用于实现固氮催化反应的方法。

参考文献

Shaobin Tang, Qian Dang, Tianyong Liu, Shiyong Zhang, Zhonggao Zhou, Xiaokang Li, Xijun Wang, Edward Sharman, Yi Luo, and Jun Jiang*

Realizing a Not-Strong-Not-Weak Polarization Electric Field in Single-Atom Catalysts Sandwiched by Boron Nitride and Graphene Sheets for Efficient Nitrogen Fixation, J. Am. Chem. Soc. 2020

DOI：10.1021/jacs.0c09527

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c09527