未來網高校頻道11月8日訊（記者 胡曉萌 通訊員 林釗宇）近日，東南大學王金蘭教授課題組在固氮催化劑的研究中取得新進展，研究成果以「Metal-Free Single Atom Catalyst for N2 Fixation Driven by Visible Light」為題發表在化學類頂級期刊《美國化學會會志》(Journal of the American Chemical Society) 上。
氮元素是構成生物的最主要元素之一。儘管大氣中氮氣的含量高達78%，但是氮氣的活化十分困難。目前工業上廣泛採用Haber–Bosch法將氮氣還原成氨氣，然而這一過程需要在高溫高壓下進行，因此能耗高。據統計，每年用於合成氨的能耗超過全球年能耗的1%。光/電催化固氮是合成氨的一種新途徑，能夠在常溫常壓下實現氮氣的還原，因此引起了廣泛關注。核心問題就是尋找和設計高效、穩定、低廉的催化劑。
目前，高效的固氮催化劑主要是基於過渡金屬（TM）化合物，而關於非金屬催化劑的報導很少。這是由於過渡金屬中空的d軌道和佔據d電子的共存，既能夠容納氮氣分子中N原子的孤電子對，又能夠提供電子到氮氣分子的反鍵軌道，從而活化N≡N三鍵、增強N?TM鍵。
通過分析硼原子的核外電子結構，王金蘭教授團隊發現sp3雜化的硼原子與過渡金屬類似，也同時具有空軌道和佔據軌道，因此有望用於氮氣的活化與還原。通過結構、性能等多方面的分析，他們最終選擇g-C3N4作為襯底來負載sp3-雜化的硼原子，設計了首個不含金屬的單原子催化劑，B/g-C3N4。理論計算表明，B/g-C3N4可以在極低的起始電位(0.20 V)下，通過酶促機理有效地將氮氣還原為氨氣。此外，硼的修飾可以顯著增強g-C3N4的可見光吸收，因此有望實現太陽能驅動的固氮反應。此外，該催化劑也具有很大的合成前景以及極高的穩定性。
該工作的第一作者是東南大學物理學院博士生凌崇益，王金蘭教授和昆士蘭科技大學杜愛軍教授為通訊作者。
以上工作受到國家傑出青年基金、國家重點研發計劃、江蘇省「333高層次人才培養工程」、國家留學基金等項目資助。
論文連結為：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b07472