酞菁（Pc）是一种具有特殊2D共轭π电子结构的大环有机共轭分子，自然具有嵌入的空穴。Pc的配位能力很强，并且很容易与元素周期表中的所有金属形成配合物。近年来，已经制备了几种类型的2D过渡金属Pc片，还被预测具有出色的二氧化碳还原催化性能，为研究金属Pc（MPc）单层（M代表30种过渡金属之一）作为氨合成的催化剂提供了一种新的思路。

有鉴于此，华中科技大学杨利明研究员和华南师范大学李国良教授等人，采用高通量筛选和第一性原理计算方法，系统研究了在PC中心腔中嵌入3d、4d和5d过渡金属催化剂的NRR催化活性。

本文要点

1）确定了三种新颖的金属酞菁（MPc，M = Mo，Re和Tc）单原子催化剂候选物，预测这些候选物具有电催化氮还原反应（NRR）合成氨的优异性能。

2）对N₂-MPc的能带结构和态密度的分析表明，在吸附的N₂和催化剂MPc之间存在明显的轨道杂化和电荷转移，这是催化剂具有较高催化活性的原因。

3）在30种MPc催化剂中，发现MoPc和TcPc单层是最有希望的新型NRR催化剂，因为它们表现出出色的稳定性，低起始电位和高选择性。MoPc和TcPc单层的最大自由能变化分别为0.33和0.54 eV。

总之，该工作为NRR催化剂的合理设计提供了新的见解，为构建将N₂还原为NH₃的新型催化剂提供了指导。

参考文献：

Chun-Xiang Huang et al. Ammonia Synthesis Using Single-Atom Catalysts Based on Two-Dimensional Organometallic Metal Phthalocyanine Monolayers under Ambient Conditions. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020.

DOI: 10.1021/acsami.0c18472

https://doi.org/10.1021/acsami.0c18472