不含金属的单原子固氮光催化剂

氮元素是构成生物的最主要元素之一。尽管在大气当中，氮气的含量高达78%，但是氮气的活化十分困难，因此难以直接应用。作为氮气的还原产物，NH₃不仅是一种重要的化学品，而且也是很有前景的储能中间体。目前工业上广泛采用Haber–Bosch法将氮气还原成氨气，然而这一过程需要在高温高压下进行，能耗高。据统计，每年用于合成氨的能耗约为全球年能耗的1%-2%。光/电催化固氮是合成氨的一种新途径，能够在常温常压下实现氮气的还原，因此引起了广泛关注。核心问题就是寻找和设计高效、稳定、低廉的催化剂。

近些年来，科研工作者们设计了很多不同类型的固氮光/电催化剂，这些催化剂主要是基于过渡金属（TM）化合物，而关于非金属催化剂的报道很少。这是由于过渡金属中空的d轨道和占据d电子的共存，既能够容纳氮气分子中N原子的孤电子对，又能够提供电子到氮气分子的反键轨道，从而活化N≡N三键、增强N‒TM键。

近日，东南大学王金兰教授（点击查看介绍）课题组和昆士兰科技大学杜爱军教授（点击查看介绍）设计了一种不含金属的单原子固氮光催化剂。通过分析硼原子的核外电子结构，他们发现sp³杂化的硼原子与过渡金属类似，也同时具有空轨道和占据轨道，因此有望用于氮气的活化与还原。基于此，他们设计了首个不含金属的单原子催化剂，B/g-C₃N₄。理论计算表明，B/g-C₃N₄可以在极低的起始电位(0.20 V)下，通过酶促机理有效地将氮气还原为氨气。此外，硼的修饰可以显著增强g-C₃N₄的可见光吸收，因此有望实现太阳能驱动的固氮反应。此外，该催化剂也具有很大的合成前景以及极高的稳定性。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是凌崇益博士，王金兰教授和昆士兰科技大学的杜爱军教授为通讯作者。以上工作受到国家杰出青年基金、国家重点研发计划、江苏省“333高层次人才培养工程”、国家留学基金等项目的资助。

该论文作者为：Chongyi Ling, Xianghong Niu, Qiang Li, Aijun Du and Jinlan Wang

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Metal-Free Single Atom Catalyst for N₂ Fixation Driven by Visible Light

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 14161, DOI: 10.1021/jacs.8b07472

导师介绍

王金兰

https://www.x-mol.com/university/faculty/31094

杜爱军

https://www.x-mol.com/university/faculty/26814