日前，鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張佳楠教授課題組在異質(zhì)單原子氮還原電催化劑方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“Boosting Nitrogen Reduction to Ammonia on FeN₄ Sites by Atomic Spin Regulation”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域期刊《Advanced Science》上，論文第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院研究生王亞瑾碩，通訊作者為張佳楠教授，鄭州大學(xué)為唯一通訊單位。

氨是日常生活中重要的化肥和工業(yè)化學(xué)品的原料，對農(nóng)業(yè)和工業(yè)都是必不可少的。目前，工業(yè)合成氨主要是Haber-Bosch方法，其需要在高溫(400-600°C)和高壓(20-40MPa)條件下進(jìn)行，消耗大量能源，并排放CO₂。電化學(xué)固氮（NRR）以水為氫源，反應(yīng)可在常溫常壓下進(jìn)行，且可通過太陽能或風(fēng)能等綠色能源轉(zhuǎn)化的電能驅(qū)動，被認(rèn)為是一種潛在的合成氨替代技術(shù)。在眾多NRR電催化劑中，單原子催化劑因其原子利用率高，具有優(yōu)異的催化活性和選擇性。值得注意的是，異質(zhì)單原子(h-SAs)的長程耦合可以改變活性位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)，從而調(diào)整過渡金屬的自旋態(tài)，為提高其催化活性提供可能性。

自旋調(diào)節(jié)對于NRR的影響研究較少，針對這一問題，課題組通過低溫熔融聚合的方法成功制備了異質(zhì)過渡金屬Fe、Mo酞氰聚合物電催化劑，其原子分散的FeN₄和MoN₄位點(diǎn)共同錨定在聚酞菁有機(jī)骨架(PPc)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計算表明，MoSAs的引入導(dǎo)致Fe自旋態(tài)發(fā)生改變，促進(jìn)了NRR過程。自旋改變后，法拉第效率和產(chǎn)氨速率分別提高2倍。該工作巧妙地通過改變特定的局部環(huán)境來優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)以提升電催化性能，為NRR電催化劑提供了一個合理的設(shè)計原則。該項(xiàng)工作與該團(tuán)隊(duì)前期發(fā)表在Nature Communications和Applied Catalysis B:Envrion上關(guān)于電子自旋結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的過渡金屬催化材料形成系列工作。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金、河南省高層次人才、河南省教育廳創(chuàng)新人才，鄭州大學(xué)青年科技創(chuàng)新專項(xiàng)基金等的支持。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202102915