合理设计Fe-N-C催化剂用于常温常压下氮气电化学还原

　　氨气（NH₃）易于存储和运输，易变成氮气和氢气，并且不涉及含碳物种的参与，是理想的储氢和能量来源，被称为液体燃料。然而，传统的哈伯法制氨需要高温高压耗能巨大而且产生大量温室气体，所以，发展高效绿色温和条件下的制氨是科学家们的研究重点。吉林大学材料科学与工程学院的一个研究组报道了一种具有内在Fe-N₃氮气还原催化位点的铁-氮/碳材料，在电催化氮气还原中展现出较高的产率和法拉第效率。相关的研究成果发表在2019年1月3日的《ACS Catalysis》上。 

　　该研究组发现了具有内在Fe-N₃氮气还原催化位点的Fe-N-C材料，其特殊的铁和氮的配位结构，以及对氮气的化学吸附和自身磁性，对氮气有较强的吸附和活化作用，而且其本身的多孔结构和高的导电性，使其在电催化氮气还原中展现出较高的产率和法拉第效率。该催化剂在-0.2 V vs. RHE的电位下，达到了较高的氨气产率（34.83 μg·h^-1·mg^-1_cat.），法拉第效率达到9.28%。循环电解5次后，产氨速率和法拉第效率基本保持稳定。反应的表观活化能为5.56 kJ·mol^-1，远低于工业Haber-Bosch法 (≈ 335 kJ·mol^-1)。更重要的是，实验结果和理论计算表明，内嵌的Fe-N₃基团作为一种有效的NRR催化活性位点，有效地提高了NRR的活性。本研究不仅为精确设计固氮催化剂提供了一个典型的范例，而且拓展了M-N-C材料在电催化氮气还原方面的应用。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1B-XAFS实验站对所合成材料中的Fe-N₃基团的结构进行了详细表征和分析，获得了Fe的K边近边吸收谱，进一步确定了Fe-N/C-CNTs催化剂及其Fe-ZIF-8-CNTs前驱体中铁元素的结构和配位环境。催化剂中铁物种的平均价态位于Fe⁰和Fe³⁺之间，拟合结果表明，Fe-N/C-CNTs第一壳层中的Fe-N/O平均配位数为3.0。 

　　该工作被日本徐强课题组，新加坡颜宁等课题组等在Chem. Rev., Joule等期刊综述中被引用，评价本工作在单原子催化、小分子活化等领域具有推动和参考作用。 

　　发表文章： 

　　Ying Wang, Xiaoqiang Cui,* Jingxiang Zhao, Guangri Jia, Lin Gu, Qinghua Zhang, Lingkun Meng, Zhan Shi, Lirong Zheng, Chunyu Wang, Ziwei Zhang, and Weitao Zheng*. Rational Design of Fe-N/C Hybrid for Enhanced Nitrogen Reduction Electrocatalysis under Ambient Conditions in Aqueous Solution  ACS Catalysis, 2019, 9, 336-344.