开发无金属异核双原子催化剂是实现低能耗、无污染高效催化氮还原（NRR）的潜在策略，它结合了双原子催化剂活性中心灵活、无污染的优点，同时又具有无金属催化剂的高法拉第效率。然而，根据现有的机理，除硼原子外，其他非金属原子的有限轨道降低了无金属催化的可能性，阻碍了异核无金属双原子NRR催化剂的发展。

近日，长安大学张文雪教授，西安交通大学Cheng He提出了一种新颖的“捕获-回馈-再捕获”机制，为异核无金属双原子NRR催化剂的设计和开发提供了一条有效途径。基于这一机理，研究人员建立了一系列无金属双原子催化剂(非金属原子=B、C、Si、S；底物=g-C₃N₄、g-CN、g-C₂N、BP1、BP2和BP3)，并对这些催化剂的催化性能进行了研究，为实验提供了依据。

文章要点

1）首先，通过对材料结构、吸附能、加氢第一步和最后一步（*N₂ + H⁺ + e⁻ = *N₂H和*NH₂ + H⁺ + e⁻ = *NH₃）的筛选，B−Si@BP1和B−Si@BP3脱颖而出。其次，通过计算自由能和过渡态，得到了NRR的极限势和势垒。

2）此外，通过对电子性质和吸附能的分析，研究人员进一步揭示了N₂的“俘获-回馈-再捕获”机理，有利于探索N₂的活化机理。

因此，本工作对非金属异核催化剂的催化机理有了深刻的认识，为探索NRR非金属催化剂开辟了一条新的途径。

参考文献

Yibo Wu, Cheng He, Wenxue Zhang,“Capture-Backdonation-Recapture” Mechanism for Promoting N₂ Reduction by Heteronuclear Metal-Free Double-Atom Catalysts, J. Am. Chem. Soc., 2022

DOI: 10.1021/jacs.2c01245

https://doi.org/10.1021/jacs.2c01245