氨（NH3）是一种重要化工原料及潜在的清洁能源载体。然而传统的Haber-Bosch法合成氨工艺能耗高、污染大。由可再生能源驱动的电化学氮还原反应（eNRR）虽然有望在常温常压下合成氨，但受限于N2低溶解度、N≡N键高稳定性及竞争性析氢反应（HER）导致的低转化效率。为应对这一挑战，提高水系电解质中氮气分子的电化学捕获和还原效率至关重要，同时需要抑制析氢反应以降低副反应的影响。然而，质子供应是氮还原形成氨产物的关键步骤，单一活性位点难以兼顾高固氮活性和快速的质子化动力学。
近日，中心团队设计出一种双原子催化剂（FeMoNC）用于电化学固氮，Fe−Mo双原子位点通过共催化机理显著提高了固氮合成氨效率。其中，Fe位点吸附活化氮气（N2）分子，Mo位点提供活性氢以加速质子传递。在常温常压下，FeMoNC催化剂在H型电解池中催化eNRR的法拉第效率可达37.42%，相比单原子Fe或Mo催化剂分别提高了7.8倍和10.6倍；流动池中氨产率达54.40 μg h⁻¹ mgcat.⁻¹,实现了高效电化学合成氨。通过分子探针技术以及动力学同位素效应，深入探究了FeMoNC催化剂中Fe−Mo位点的共催化作用，即Mo位点上的快速水分解过程提供质子（作为共反应物），从而增强了相邻Fe位点上含氮中间体物种的关键质子化动力学过程。结合理论计算与电化学原位拉曼测试，进一步揭示了Fe−Mo位点上的氮还原反应优先以缔合机理中的末端配位途径进行。该研究阐明了eNRR过程中双原子活性中心的协同作用机制，为理性设计高效合成氨催化剂提供了理论依据。相关成果以“High-Efficiency Electrochemical Ammonia Synthesis at Co-Catalytic Fe−Mo Dual-Atom Sites”为题，发表在国际著名期刊ACS Nano上。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01741
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李若男(第一作者)，郑州大学2022级博士研究生，师从周震教授，主要从事电化学合成氨高效催化剂的开发与设计，反应机理研究及工业化应用探索。
张利利(通讯作者)，郑州大学化工学院副教授，硕士生导师。博士毕业于华南理工大学，2019年7月入职郑州大学化工学院。主要研究领域为电催化与电合成，聚焦电化学反应过程中电极表界面活性位点的动态演变、催化机制及反应动力学研究。先后主持中国博士后科学基金特别资助（站前）项目、中国博士后科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金项目。在Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、Small和Chem. Sci.等期刊发表论文30余篇。
焦梦改(通讯作者)，郑州大学化工学院副研究员，博士生导师。2016年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室，于2021年10月入职郑州大学化工学院。多年来主要从事功能材料计算模拟和重要能源转化过程中催化材料设计及相关催化机制的理论计算研究。先后主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金面上项目、河南省高等学校重点科研项目等项目。目前，在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Sci.、ACS Nano、Chinese J. Catal.、Green Energy Environ.等期刊发表论文60余篇，单篇引用最高780余次。
周震，郑州大学化工学院院长、长江学者、享受国务院政府特殊津贴专家。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究，通过高通量计算、实验与机器学习相结合设计可再生能源存储与转化材料与系统。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.和Adv. Mater.等期刊上发表论文350余篇，被引48000余次，h-index为123。2014-2023年连续11年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2024年连续七年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy & Environment等期刊副主编、Journal of Power Sources编辑以及Batteries & Supercaps和《过程工程学报》等期刊编委，中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员、中国自然资源学会资源循环利用专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。
