利用电化学法将硝酸盐（一种广泛存在的水污染物）转化为有价值的氨（NH3），是一种绿色的氨合成路线，也是对Haber-Bosch工艺的一种极有吸引力的补充。然而，由于存在其他硝酸盐还原途径，选择性地将反应途径导向氨目前仍受到缺乏有效催化剂的严重挑战。
近日，受用于Haber-Bosch工艺的催化剂（Fe基化合物）和固氮酶（主要含有Fe-Mo辅因子）中Fe活性位点的启发，美国莱斯大学汪淏田教授，加拿大卡尔加里大学Samira Siahrostami报道了一种通过具有出色催化活性和选择性的Fe单原子位点将NO3-还原为NH3。
文章要点
1）研究人员以二氧化硅粉末为硬模板，采用微波辅助碳化法合成了Fe SAC。该策略包括将包括FeCl3、邻苯二胺和二氧化硅的前体混合，随后热解混合物，然后进行氢氧化钠和硫酸蚀刻以及第二次热解。采用像差校正的中角环形暗场扫描透射电子显微镜（AC MAADF-STEM），研究人员成功发现了分散在多孔碳载体上的孤立的Fe单原子亮点。此外，电子能量损失谱（EELS）证实了其Fe-N-C配位结构。
2）实验结果显示，与可逆氢电极（RHE）相比，将Fe SAC沉积在标准玻碳电极上，其在0.66 V时的最大NH3法拉第效率（FE）约为75%，在0.85 V时，NH3部分电流密度高达约100 mA cm−2。这相当于令人印象深刻的20000 μg h−1 mgcat.−1的高NH3产率。此外，尽管具有极低的Fe含量，但Fe SAC显示出比Fe纳米颗粒催化剂显著提高的NH3产率。
3）研究人员利用密度泛函理论（DFT）计算，揭示了NO3-在Fe单原子位置上还原为NH3的反应机理。此外，研究还发现NO*还原为HNO*和HNO*还原为N*是潜在的限制步骤。
参考文献
Wu, ZY., Karamad, M., Yong, X. et al. Electrochemical ammonia synthesis via nitrate reduction on Fe single atom catalyst. Nat Commun 12, 2870 (2021).
DOI：10.1038/s41467-021-23115-x
https://doi.org/10.1038/s41467-021-23115-x
