碳载金属单原子催化剂的电合成氨进展  

Ammonia electrosynthesis on carbon‐supported metal single‐atom catalysts

作　　者：李沐霖 谢一萌 宋静婷 杨级 董金超 李剑锋 Mu-Lin Li;Yi-Meng Xie;Jingting Song;Ji Yang;Jin-Chao Dong;Jian-Feng Li(College of Energy,State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces,iChEM,College of Chemistry and Chemical Engineering,College of Physical Science and Technology,Xiamen University,Xiamen 361005,Fujian,China;Innovation Laboratory for Sciences and Technologies of Energy Materials of Fujian Province(IKKEM),Xiamen 361005,Fujian,China)

机构地区：[1]厦门大学能源学院,化学化工学院,物理科学与技术学院,固体表面物理化学国家重点实验室,能源材料化学协同创新中心,福建厦门361005 [2]福建能源材料科学与技术创新实验室(嘉庚创新实验室),福建厦门361005

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2024年第5期42-67,共26页催化学报（英文）

基　　金：国家重点研发计划(2023YFA1508004);国家自然科学基金(21925404,22021001,21991151,22222903,T2293692);中国博士后科学基金(2023M742909);北京分子科学国家实验室(BNLMS202305);国家基础科学人才培养科学基金(NFFTBS,J1310024).

摘　　要：氨不仅是生产农业肥料和医药分子的关键原料,同时因其具备高能量密度和零碳排放的特性,也被视为极具潜力的能源载体.鉴于当前对环保和可持续发展的迫切需求,实现氨分子的绿色合成已成为重要任务.其中,利用可再生能源驱动的电化学合成氨技术,因其对环境友好和高效性,被视为替代传统哈伯-博世工艺的绿色路径,具有广阔的应用前景.在电化学催化合成氨的研究中,单原子催化剂(SAC)因其独特的性质而备受关注.SAC的孤立金属中心不仅提高了金属原子的利用率,而且有效抑制了氮-氮偶联反应,从而显著提升了催化合成氨的效率,成为当前的研究热点.本文综述了SAC电催化合成氨领域的最新研究进展,旨在为科研工作者提供基础的理论和实验参考.系统总结了不同氮源(包括氮气、硝酸根、亚硝酸根及一氧化氮)合成氨的研究进展,并深入探讨了催化剂的理论和实验设计、催化活性中心的种类及其催化活性,以及真实反应过程中的催化动态行为.首先,介绍了自然和人工固氮系统中的氮循环路径.自然固氮系统展示了氮气、氮氧化物、氨的循环路径,为不同氮物种合成氨方法提供了可借鉴的思路;而人工氮循环则阐述了社会发展、工业生产对自然循环氮平衡的破坏,凸显了电化学人工固氮的必要性.随后,基于理论模拟方法,在原子和分子尺度上总结了不同氮物种在催化剂表面的反应过程.例如,在氮气合成氨过程中探讨了涉及的解离路径、交替缔合及远端缔合路径等.本文详细阐述了催化活性结构的理论筛选方法的重要性,并介绍了如何通过结构稳定性评估、反应物种的吸附活性以及催化活性及选择性的综合考量,来确定最佳的催化活性中心种类及微观结构.随后,总结了科研人员基于理论筛选结果,采用热解策略制备碳载金属SAC的研究进展.这些策略包括,碳基底�Ammonia,a feedstock platform for fertilizer and pharmaceutical production,is regarded as a zero-carbon energy carrier.The electrochemical synthesis of ammonia,powered by clean and renewable electricity,has garnered increased attention as an alternative to the Haber-Bosch process.Very recently,single-atom catalysts(SACs)have become highly effective electrocatalysts for such electrochemical transformation,where the isolated metal sites ensure the high atomic utilization efficiency as well as the prevention of nitrogen-nitrogen coupling.In this review,we focus on the recent progress of single-atom catalysts in electrochemical ammonia synthesis and briefly introduce nitrogen cycles in both natural and artificial ecosystems,followed by a discussion of catalyst design by theoretical and experimental methods.Synthesis routes from different nitrogen sources,including dinitrogen(N_(2))and nitrogen oxides(NO_(x)),are also highlighted.Besides,the catalysis dynamics as an indispensable section is presented and discussed in-depth.Finally,we tackle challenges and offer perspectives,aspiring to provide insightful guidance for researchers in this community striving for advanced ammonia electrosynthesis.

关 键 词：合成氨 氮转化反应 电化学还原 单原子催化剂 氮气 氮氧化物 

分 类 号：O643.36[理学—物理化学] O644.1[理学—化学]