科研人員通過雙單原子亞納米反應器實現高效電化學固氮

2020-09-15 中科院之聲

近日，中國科學院大連化學物理研究所微納米反應器與反應工程學研究組研究員劉健團隊，與天津大學教授梁驥團隊、澳大利亞斯威本科技大學教授孫成華團隊合作，通過亞納米空間限域策略，開發Fe-Cu雙單原子亞納米反應器，用於電催化N2還原反應，實現NH3高效率合成，為電催化固氮提供新思路。

單原子催化劑能最大限度地利用活性物質，因此在電催化領域具有廣闊的應用前景。目前，精準控制原子級活性位點以滿足特定反應仍是單原子催化劑的瓶頸。該研究提出一種亞納米空間限域策略，即利用石墨化氮化碳具有的獨特微環境的規則表面空穴，精確限域Fe-Cu單原子並調控其幾何構型，構建「亞納米反應器」。研究發現，在高度限域的亞納米反應器中，Fe-Cu催化活性中心與反應物具有更強的相互作用，且極狹窄的限域空間所具有的獨特微環境形成顯著的協同效應，對於以氮還原反應為代表的多步驟電催化過程較為有利。此外，結合第一性原理模擬，發現這種協同效應來源於獨特的Fe-Cu配位，有效地改變N2的吸收，改善電子轉移，並為氮還原反應提供額外的氧化還原電子對。該研究為在亞納米尺度上操縱催化劑活性中心提供新策略，也為亞納米尺度上具有精確空間定位的新型催化劑的設計提供思路。

劉健團隊致力於研究微/納米反應器中的催化基礎理論，實現活性組分在納米反應器中的精準定位。研究團隊構建的蛋黃-蛋殼型Pd&ZnO@carbon，Co-CoOx@N-C，AuPt@HMZS亞微米反應器，其外殼可以保護催化核心納米顆粒，抑制其團聚，核與殼之間的空隙空間為多相催化反應中反應物的富集提供獨特的反應環境，從而提升催化劑的活性、選擇性及穩定性（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801737;Adv. Sci., 2019, 1900807;Natl. Sci. Rev., 2020, In Press）；將金屬納米顆粒區域選擇性地定位在啞鈴的一個隔室中，構建Janus型納米反應器，顯示出優異的界面活性，提高雙相硝基芳烴加氫反應的反應效率（Angew .Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8459-8463）；將金屬納米顆粒選擇定位在中空球內部和表面，系統研究納米反應器在液相加氫反應中的空間限域效應（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, In Press）；提出納米反應器策略合成負載型超小雙金屬催化劑（Materials Today, 2020, In Press）；通過缺陷工程鐵摻雜的策略，開發鐵摻雜W18O49納米反應器，在低電位下同時實現高的NH3產率和高法拉第效率（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 7356-7361）。

相關研究成果發表在Advanced Materials上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院潔淨能源創新研究院合作基金等的資助。

大連化物所通過雙單原子亞納米反應器實現高效電化學固氮

來源：中國科學院大連化學物理研究所

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