Janus Fe-SnO2实现双功能电化学固氮

氮是空气中最多的元素，是组成氨基酸的基本元素之一，在生物体内具有极大作用。如何实现高效的氮气固定，长久以来被视为“化学的圣杯”之一。近日，青岛大学的丁欣（点击查看介绍）、张立学（点击查看介绍）等人在电催化固氮领域取得重要进展，报道了一例双功能催化剂实现室温条件下电催化氮气还原制备氨气和氮气氧化制备硝酸盐。

生物体中的氮元素根源于生物固氮酶和闪电生成铵盐和硝酸盐。工业上，氨气（铵盐主要原料）主要来源于100年前发展的Haber–Bosch工艺，然后氨气进一步通过Ostwald工艺合成HNO₃。然而，这两种工艺需要的生产条件都非常苛刻，消耗大量的能源，并且排出大量的温室气体，开发一种更高效、环保的固氮工艺迫在眉睫。电催化固氮反应，利用水和氮气进行的电化学氮气还原反应制备氨气(NRR)和氮气氧化反应合成者硝酸(NOR)，可以直接将可再生能源产生的电能转化为易于储存和运输的氨气或者硝酸，并保证二氧化碳的零排放，为解决当前严峻的能源和环境问题提供了新的思路。然而，由于该反应涉及氮气的N≡N的断裂 (941 kJ mol^-1)，动力学上非常难于进行。此外，强竞争反应（水的裂解反应）的存在严重制约电催化固氮的效率。

该团队设计、合成了一种新型的Fe-SnO₂催化剂，其中铁元素可分为氧空位锚定的单原子铁和晶格掺杂的铁，分别用于增强氮气分子在催化剂表面的吸附活化和改善SnO₂的导电性。氧空位锚定的单原子铁能大大降低氮气分子的活化能垒，使NRR与NOR活性得到明显提升。在酸性电解液中，NRR的NH₃产率高达82.7 μg h^-1mg_cat^-1，法拉第效率为20.4%。此外，在酸性电解液中，该催化剂同样表现出优异的NOR催化活性（NO₃^-产率为42.9 μg h^-1 mg_cat^-1，法拉第效率为0.84%）。该研究为高效、稳定的电催化固氮催化剂的设计提供了新的研究思路。

该成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，论文第一作者为青岛大学青年教师张林林。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Janus Fe-SnO₂ Catalyst Enables Bifunctional Electrochemical Nitrogen Fixation,

Linin Zhang, Meiyu Cong, Xin Ding*, Yu Jin, Fanfan Xu, Yong Wang, Lin Chen, Lixue Zhang*,

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202003518

丁欣博士简介

丁 欣，青岛大学副教授，硕士生导师，青岛大学特聘教授。2015年6月硕博连读毕业于大连理工大学精细化工国家重点实验室，师从瑞典皇家工程院院士、中国科学院外籍院士孙立成教授。2015年7月至2016年9月于中科院青岛生物能源与过程研究所任助理研究员，2016年10月起工作于青岛大学化学化工学院。主要研究领域为光、电催化能源小分子（N₂、CO₂、H₂O）活化。以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal., Coord. Chem. Rev, Chem. Comm.等国际主流期刊上发表论文20余篇。

https://www.researchgate.net/profile/Xin_Ding9

https://www.x-mol.com/university/faculty/160726

张立学教授简介

张立学，青岛大学化学化工学院教授、材料电化学课题组组长，德国洪堡学者。2003年6月于中南大学获学士学位，2009年4月于中科院长春应用化学研究所获博士学位，2009年2月至2011年3月先后在丹麦哥本哈根大学和德国哥廷根大学从事博士后研究，2011年4月至2015年9月于中科院青岛生物能源与过程研究所任副研究员，2015年9月起工作于青岛大学化学化工学院。主要研究领域为材料电化学与能源电催化，已发表研究论文 70 余篇，被引 3300 余次，h 指数 32，其中以第一或通讯作者在 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Small, ACS Catal., Prog. Polym. Sci.等期刊发表论文近40篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/160702

http://www.escience.cn/people/zhanglixue/index.html