JACS：高性能单原子钼催化剂用于氮还原合成氨

【引言】

作为推动人类社会进步最重要的催化反应， 合成氨是20世纪最重要的发明之一。氨是最重要的基础化工产品之一，产量居各种化工产品的首位。现在全球氨产量约为5亿吨，其中90%的氨用来生产化肥。化肥工业的出现和发展大幅度提高了农作物产量，从而解决了人口快速增长带来的粮食问题。可以说，没有合成氨，当今世界70亿人口的吃饭就会成为大问题。

但是，众所周知，实现N₂的活化十分困难，开发合适的催化剂是关键。迄今为止，三位科学家由于对合成氨催化剂的贡献获得了诺贝尔奖。 他们分别是发明高温高压合成氨过程的Fritz Haber （1918年），实现合成氨工业化研究，发展出Haber-Basch过程的Carl Bosch（1931年），以及利用表面科学手段阐明合成氨机理的Gerhard Ertl(2007年)。

目前工业上合成氨广泛采用的是哈伯-博施法 Haber-Bosch process)， 也就是氮气与氢气在高温高压催化剂（铁）作用下发生化合生成氨。 该工艺反应条件十分苛刻，需要高压（> 700 bar）、高温（> 673 K）的条件，十分耗能。全世界花在合成氨上的能源占全人类能源消耗的1-2%。因而，寻找高性能、低成本的非贵金属催化剂实现温和条件下合成氨一直是催化领域的重要研究课题。

【成果简介】

近日，哈尔滨师范大学化学化工学院赵景祥教授和美国波多黎各大学陈中方教授(通讯作者)合作，在JACS上发表了题为“Single Mo atom Supported on Defective Boron Nitride Monolayer as an Efficient Electrocatalyst for Nitrogen Fixation: A Computational Study”的研究论文^[1]。

该论文以实验上报道的缺陷硼氮单层材料（硼缺陷）为载体，在其表面负载了15个单过渡金属原子（TM: Sc~Zn, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag）形成TMN₃单元，利用密度泛函理论计算了氮还原反应中间体（N₂,N₂H, NH₂）与所构建材料之间的相互作用能（图一），从而筛选出具有高催化活性的潜在材料-担载单原子钼的缺陷硼氮单层材料（图二）。在此基础上，作者研究了该催化剂电催化氮还原反应的反应机理（图三）。计算结果表明，缺陷硼氮纳米单层材料担载的单个钼原子倾向于通过酶(enzymatic) 机理催化氮气还原，所需过电位仅为0.19V（图四），远低于目前已报道的其它电催化剂。负载在缺陷硼氮石墨烯上的单原子钼具有极大的磁矩、可以温和的活化惰性氮气，选择性的稳定反应中间物种NH₂, 而于中间物种NH₂^* species作用能力较弱。另外，杂原子钼的引入也显著降低了硼氮材料的能带宽度。这些因素共同作用导致了该催化剂的高活性。该研究打破了硼氮材料不能做为电催化剂材料的思想，为惰性氮气还原合成氨提供了简单新颖的思路。

【图文导读】

图一： 缺陷硼氮单层材料担载单原子过渡金属表面(a)N₂吸附自由能和(b)N₂H和NH₂的吸附能

Mo嵌入的BN纳米片是符合所有三种筛选标准的NRR唯一符合条件的电催化剂。

图二：缺陷硼氮单层材料担载单原子钼的俯视图和侧视图

完全优化的Mo嵌入BN纳米片的结构。

图三：氮气电还原合成氨的反应机理图

随后的NRR步骤通过三个可能的途径，包括远端，交替和酶机制，其中六个连续的质子化和还原过程。

图四：不同电压下缺陷硼氮单层担载单原子钼电催化氮还原反应的自由能变化图

在交替机理中，N₂固定在Mo嵌入的BN单层上的潜在限制步骤（ΔG）是形成N2H4 *组，酶机制中NH₂ *还原为NH₃。

【小结】

这项工作利用密度泛函利用方法，利用催化剂与反应物／中间物种吸附自用能为判据，筛选出低成本、易于制备、高活性的氮还原合成氨反应电催化剂-担载单原子钼的缺陷硼氮单层材料，探讨其高催化活性与几何结构和电子结构之间的相互关系，并阐明在酸性介质中该催化剂高催化活性的原因。这项研究为进一步开发利用于异相催化和电催化反应的催化剂开辟了新的途径。

文献链接：Single Mo Atom Supported on Defective Boron Nitride Monolayer as an Efficient Electrocatalyst for Nitrogen Fixation: A Computational Study（JACS，2017，DOI: 10.1021/jacs.7b05213）

作者简介

赵景祥在哈尔滨师范大学化学化工学院获得硕士学位后留校任讲师，2006年9月赴吉林大学理论化学研究所攻读博士学位，师从丁益宏教授。2015年3赴美国波多黎各大学化学系从事国家公派访问学者工作，合作导师陈中方教授；2014年起在哈尔滨师范大学化学化工学院任教授。

赵景祥教授近年来一直致力于低维纳米材料电催化性能、锂硫电池性能等的理论研究工作。目前，已在J. Am. Chem. Soc, ACS Catal, J. Mater. Chem. A, ACS. Appl. Mater.&Int., J. Power Sources, Carbon, Electrochimia Acta, J. Phys. Chem. C, Phys. Chem. Chem. Phys.等国际高水平文章上发表SCI论文60余篇；作为项目负责人，主持国家自然科学基金1项、哈尔滨师范大学青年骨干项目1项，获黑龙江省科技厅二等奖1项。 

陈中方教授1990年进入南开大学化学系学习，1994年获学士学位，2000年获得博士学位（导师赵学庄教授，唐敖庆教授）。随后在德国马普研究所 、Erlangen-Nürnberg大学和美国乔治亚大学从事博士后研究。2006年至2008年期间分别任职于美国乔治亚大学和伦斯勒理工学院。2008年秋季起任美国波多黎各大学化学系副教授，2014年起任正教授。 陈中方博士研究方向为计算化学和计算纳米材料科学，注重理论与实验的紧密结合与互动。 近年主要致力于石墨烯和其他二维纳米材料，纳米催化剂，和纳米材料在环境治理中的应用等理论研究工作。已经发表论文240余篇，其中在Chem. Rev.、Coord. Chem. Rev.、Nature Commun. 、 J. Am. Chem. Soc.、 Angew. Chem. Int. Ed.、 Phys. Rev. Lett.、ACS Nano、 Nano Lett. 、Adv. Funct. Mater. 、Environ. & Sci. Technol. 上发表论文50篇。 论文被引用超过10900次，个人h指数为55。

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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