学校在MOFs电催化一氧化氮还原合成氨方面取得新进展

本站讯 近日，中国海洋大学化学化工学院邵锋副教授团队与王文泰副教授合作，联合浙江工业大学庄桂林教授，在化学顶尖国际期刊JACS Au（Journal of the American Chemical Society Au）上发表了题为“Two-dimensional MOF Constructed by a Binuclear-copper Motif for High-Performance Electrocatalytic NO Reduction to NH₃”（二维双核铜基MOF用于高效电催化一氧化氮还原成氨）的研究论文。

氨作为全球最主要的化学品之一，与人类生活有着紧密的联系。然而，全球的氨主要来源于传统的Haber-Bosch工艺。该工艺反应条件极其苛刻，耗能高，并伴随大量温室气体的排放，对环境造成了一定的污染。电化学氨合成技术作为一种绿色、节能的合成方法，近年来受到了广泛关注。目前，电催化合成氨主要采用氮气（NRR工艺）。然而，氮气（N₂）固有的化学惰性严重限制了其实际应用。与N₂相比，由于一氧化氮（NO）的离解能较低，电催化还原NO制取NH3在动力学和热力学上相对更容易。此外，电催化NO还原转化为有用的NH₃为同时实现经济环保的NO减排和NH₃生产提供了良好的平台。然而，NORR反应依赖于具有高活性和选择性的电催化剂来加速反应过程，同时抑制主要的竞争性析氢反应(HER)。因此，开发高效、高选择性的电催化剂至关重要。

金属有机框架（MOFs）是由金属团簇与有机配体通过配位作用形成的一类新型晶态多孔材料，近年来在催化领域受到了广泛关注和研究。MOFs的多孔结构和高比表面积能够实现催化位点的空间分离并促进物质传输，从而提升催化活性；MOFs结构和成分易于定制、可以灵活设计调控，为富集NO并稳定反应中间体提供了便利。鉴于这些优势，MOF基材料有望成为实现高性能电催化NO合成氨的催化剂。基于此，中国海洋大学邵锋副教授团队利用5-（2’-羧基苯氧基）间苯二甲酸（H₃L）为有机连接剂，通过水热法合成了一种具有高NO电还原活性与稳定性的二维铜MOF({[Cu(HL)]·H₂O}_n，Cu-OUC) 电催化剂。研究发现，该催化剂具有优异的一氧化氮合成氨性能：法拉第效率为96.91%，氨产率为3415.82 ug h⁻¹ mg_cat⁻¹，开创了MOF用于一氧化氮高效还原成氨的先河。此外，以Cu-OUC作为阴极组装的Zn–NO电池也显示出优异的性能，功率密度为2.04 mW cm⁻²，NH3产率616.92 μg h⁻¹ mg⁻¹，同时实现NO去除、氨合成和电能输出。原位红外和理论计算进一步揭示了催化机制。Cu-OUC的表面通过电子“Acceptance-Donation”的双向电荷转移模式有效地促进了NO的活化，*NO的形成是电位决定步骤，且ΔG仅为0.20 eV。该研究为面向温和条件下NORR应用的高效MOF基电催化剂的设计与合成提供了新思路。

邵锋副教授（一排左二）团队

研究成果的第一完成单位是中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室和化学化工学院，共同第一作者为化学化工学院2020级博士研究生罗荣、2021级硕士研究生李宝静及浙江工业大学2022级硕士研究生王展鹏，通讯作者为浙江工业大学庄桂林教授、中国海洋大学王文泰副教授和邵锋副教授。该工作得到了山东省自然科学基金、学校学科建设等项目经费的大力支持。

通讯员：邵锋

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.4c00475