【振兴计划师大行】我校化材学院钦青课题组在人工氮循环方面取得重要研究进展-九游会体育

近日，安徽师范大学的钦青教授、澳大利亚昆士兰科技大学的冒鑫博士和河南大学的代磊教授合作，以典型的氧化物纳米团簇为研究对象，设计合成炭黑负载的moo_x纳米簇（moo_x/c）电催化剂，利用团簇与载体之间的相互作用降低团簇的表面能，构建富电子的moo_x纳米团簇。该成果发表在国际顶级期刊《德国应用化学》。

氨（nh₃）和尿素作为两种常见的含n化合物，在农业肥料、制药、能源等领域均有着广泛且不可替代的应用。传统的工业合成nh₃和尿素过程面临高污染、高耗能的缺点，因此，通过绿色电化学手段实现nh₃和尿素的可持续合成吸引了人们的关注。其中，电催化no₃^-还原及其与co₂的偶联可以分别为合成nh₃和尿素提供新的思路，但也同时受限于缺乏高性能的催化剂，具体表现在法拉第效率（fe）和产率还具有较大的提升空间。考虑到这两个反应均是多质子-电子参与的复杂过程，涉及到多个中间体的参与，具有高原子利用率和丰富缺陷反应位点的纳米团簇材料有望能够促进多个反应物种的协调吸附和活化，提升电催化no₃^-还原及其与co₂偶联的反应性能。

moo_x/c催化剂在no₃^-还原中具有98.14 %的优异法拉第效率（fe）和91.63 mg h^-1mg_cat.^-1的nh₃产率。此外，在no₃^-/co₂共还原合成尿素中，最高fe为27.7 %，最大尿素产率能够达到1431.5 μg h^-1mg_cat.^-1。通过一系列的控制实验和dft理论计算结果表明，moo_x/c催化剂的高活性得益于负载型小尺寸团簇独特的电子结构，暴露了更多不饱和的富电子位点，能够增强其与含n、c反应物以及中间体之间的电子转移，有利于吸附和活化过程的进行，有效稳定了^*no和^*co₂nooh关键中间体，促进nh₃和urea的生成。

因此，moo_x/c双功能催化剂在合成nh₃和尿素中均表现出良好的性能。该工作为构建高效合成nh₃和urea的电催化剂提供了实验和理论指导，也为电催化还原小分子合成高附加值产物提供了新思路。

本工作是在钦青教授的指导下，由安徽师范大学2020级研究生孙孟苗和2021级研究生吴官正共同完成，2022级蒋家迪和杨懿栋参与了部分实验工作。德国马普胶体与界面所markus antonietti教授对本课题的开展提供了建设性的指导。