厦大物理系计算凝聚态物理研究组：电还原合成氨理论研究取得重要进展

【成果简介】

厦门大学物理科学与技术学院计算凝聚态物理研究组吴顺情教授、曹昕睿助理教授与华南理工王海辉教授课题组在电催化合成氨研究取得重要进展，相关成果以“Ammonia electrosynthesis with high selectivity under ambient conditions via a Li⁺ incorporation strategy”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

【图文导读】

图1 示意图及表征结果

（a）PEBCD的两步合成路线图示：I）溶液聚合，II）热处理。

（b）SEM图像。

（c）元素映射和EDS。

（d）XPS图谱。

（e）PEBCD的FTIR图谱。

图2 PEBCD/C的NRR行为

（a）NRR反应池示意图。

（b）25℃下各种电位的法拉第效率。

（c）25℃下各种电位的NH₃产率。

（d）循环稳定性结果。

【研究内容】

氨是化肥工业和有机化工的主要原料，固氮产氨在生物、化学和环境等学科中具有重要意义。工业上通常由氢气和氮气反应合成氨，该反应只能在高温高压和催化剂条件下进行，其固氮产氨的效率低且极不环保。通过系统的研究，王海辉教授课题组发现将 Li⁺嵌入植入的poly(N-ethyl-benzene-1,2,4,5-tetracarboxylic diimide)(PEBCD)分子在电催化氮气还原合成氨（NRR）的过程中具有极高的选择性，且反应可在常温常压下进行。吴顺情教授和曹昕睿助理教授通过密度泛函理论计算研究了催化剂活性位的结构特征和可能的催化机理，讨论分析了催化反应路径。研究发现，Li⁺与PEBCD上的O-Li⁺]·N₂-Hx”中间体，这一分子级别的模型为优化NRR反应提供了指导并为电催化氮气还原成氨高效高选择性非过渡金属催化剂的设计提供了新的思路。

该工作的理论部分得到了国家重点研发计划项目的资助。

原文链接：http://cpst.xmu.edu.cn/pmee/node/950

文献链接：Ammonia electrosynthesis with high selectivity under ambient conditions via a Li⁺ incorporation strategy (J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b04393)

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