异质元素掺杂碳材料应用于高效氮还原产氨

高效固氮产氨对推动人类社会的发展具有极其重要作用。目前，主要的固氮产氨合成方法是通过传统工艺Haber-Bosch合成法，但是该工艺所需较大能耗，并且有温室气体排放。然而，电催化合成氨（NRR）可以在水相体系条件下，常温常压下完成，因此受到广泛关注。尽管大量研究报道金属、金属氧化物/碳化物/硫化物/氮化物等催化剂可以作为有潜力的NRR催化剂，但是受限于反应体系本身的诸多因素，如：较低N₂溶解度，极稳定的N≡N三键，更容易发生的竞争析氢反应等。因此，合理设计更高效，更有选择性，更稳定的NRR催化剂是解决电催化合成氨诸多问题的重中之重。

最近，天津大学凌涛教授团队和南开大学胡振芃教授合作，通过实验观察和理论计算的结合，系统地评估了硫氧基元素（O、S、Se、Te）掺杂的碳材料作为NRR催化剂的潜力。通过选用简单易制备的ZIF-8作为前驱体，经过1000度高温煅烧得到碳材料前驱体，然后通过气相高温阴离子掺杂得到S、Se、Te掺杂的碳材料。研究发现，异质元素掺杂诱导的电荷积累效应促进了碳原子对N₂的吸附作用，异质元素掺杂诱导的自旋极化降低了第一个质子形成*NNH的能垒。

通过一系列污染排除实验以及同位素标记法，发现Te和Se掺杂的碳催化剂表现出较高的固有NRR活性，优于大多数金属催化剂。该工作建立了碳基材料的电子结构与NRR性能之间的关系规律，为碳基催化剂在NRR的应用奠定了基础。

相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章第一作者为天大博士生杨园园和南开博士生张丽芙，通讯作者为凌涛教授和乔世璋教授。

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The Crucial Role of Charge Accumulation and Spin Polarization in Activating Carbon-Based Catalysts for Electrocatalytic Nitrogen Reduction

Yuanyuan Yang, Lifu Zhang, Zhenpeng Hu, Yao Zheng, Cheng Tang, Ping Chen, Ruguang Wang, Kangwen Qiu, Jing Mao, Tao Ling, Shi-Zhang Qiao

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 4525-4531, DOI: 10.1002/anie.201915001

凌涛教授简介

凌涛，天津大学材料学院教授。2009年于清华大学材料科学与工程系获得博士学位，2009年10月起就职于天津大学，2017年入选国家自然科学基金优秀青年基金。从事催化新材料原子结构调控以及在洁净能源高效转换和利用的研究。以第一/通讯作者在Science Advances、Nature Communications（2篇）、Advanced Materials（6篇）、Angewandte Chemie International Edition、Nano Letters、Advanced Functional Materials、Nano Energy等期刊发表论文40多篇，获2016年天津市自然科学一等奖(排名3)。

https://www.x-mol.com/university/faculty/39454

乔世璋，澳大利亚阿德莱德大学化工学院纳米技术首席教授，澳大利亚昆士兰大学荣誉教授。主要致力于新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、光催化、燃料电池、超级电容器、电池等。在Nature、Nature Materials、Nature Energy、Nature Communications、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际刊物上发表370余篇学术论文，文章总引用次数超过38900余次，h指数为102（Web of Science）。拥有多项发明专利，从工业合作伙伴及澳大利亚研究委员会获得研究经费超过1,100万澳元。他还获得澳大利亚研究理事会（ARC）桂冠教授称号（2017），埃克森美孚奖（2016），ARC杰出研究员奖（DORA，2013），新兴研究员奖（2013，美国化学学会ENFL部门）等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/29675