兰州交大褚克，AFM：路易斯酸Fe-V双位点促进硝酸盐电还原合成氨

第一作者：张娜娜，张归科

通讯作者：褚克

单位：兰州交通大学

随着十四五新型储能方案和双碳政策的推出，新能源材料的研究和应用已成为必然。氨（NH₃）做为氮肥生产的重要原料，同时也是理想的无碳储能载体，在诸多领域中发挥着重大的作用。目前通过Haber-Bosch技术进行的大规模氨生产存在高CO₂排放和高能耗的问题。电化学NO₃-还原合成NH₃（NO₃RR）可以在实现NO₃-污染处理的同时，实现绿氨的合成。然而，NO₃RR是一个复杂的八电子转移过程，涉及多个中间体及副产物的生成，并受到竞争性析氢反应（HER）的影响。因此，迫切需要探索高活性和选择性的NO₃RR催化剂。单原子催化剂（SACs）由于可调控的配位环境和最大化的原子利用率而在电催化反应中广泛应用。其次，考虑到将金属原子掺杂到过渡金属氧化物(TMOs)中是一种创建路易斯酸位点的可行方法，因为掺杂剂/TMOs的强电子相互作用导致不同金属原子的电荷重新分布，同时TMOs是理想的限掺材料，路易斯酸位由于其多价态、可调控的电子结构和高的化学稳定性，特别是当金属掺杂处于孤立的单原子状态时，可以很容易地形成高密度的Lewis酸位点，从而最大化Lewis酸度，大大提高催化剂的NO₃RR活性。V₂O₅是一种新兴的TMOs材料，由于其天然的丰度、易于合成、热稳定性和可变的氧化态而被广泛应用于各种催化反应中。因此本文将过渡金属氧化物V₂O₅作为基底来固定Fe单原子，构建路易斯酸Fe-V对，有效促进硝酸盐电还原合成氨。

近日，来自兰州交通大学的褚克教授课题组在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Lewis Acid Fe-V Pairs Promote Nitrate Electroreduction to Ammonia”的研究文章。文章证明了在过渡金属氧化物V₂O₅上分散单原子Fe（Fe-V₂O₅），构建路易斯酸Fe-V双位点，可以作为一种高效稳定的NO₃RR催化剂。原位表征和理论计算表明，Fe-V₂O₅优异的NO₃RR性能源于产生的Lewis酸Fe-V双位点，协同增强NO₃-的活化和加氢光反应，并同时抑制析氢反应。电化学测试表明，Fe-V₂O₅达到了12.5 mg h⁻¹ cm⁻²的NH₃产率和97.1%的法拉第效率，这一性能也超过了近期绝大多数已报道的NO₃RR催化剂。同时这项工作可以启发通过单原子掺杂策略的创建路易斯酸碱相互作用的角度设计新型高效的NO₃RR催化剂。

图1. Fe-V₂O₅的形貌表征

Nana. Zhang, Guike. Zhang, Peng. Shen, Hu. Zhang, Dongwei. Ma and Ke. Chu*, Lewis acid Fe-V pairs promote nitrate electroreduction to ammonia, Adv. Funct. Mater., 2023, 33, 2211537.