郎兴友教授，文子教授，蒋青教授， JMCA：理论设计具有强健氮气激活能力的铁团簇催化剂- 大数跨境

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郎兴友教授，文子教授，蒋青教授， JMCA：理论设计具有强健氮气激活能力的铁团簇催化剂

科学材料站

2021-08-28

导读：该文章提出了一种强健的氮气激活模式，通过前线分子轨道在能量与空间取向的匹配，可以同时激活氮气简并的py与pz反键轨道。

文章信息

用于强健氮活化的铁团簇催化剂的合理设计

第一作者：代天一

通讯作者：郎兴友*，文子*，蒋青*

单位：吉林大学

研究背景

氨是一种重要的化学原料，它不仅在人类粮食生产方面发挥着重要作用，而且还被认为是一种潜在的高密度储氢材料。目前，氨在工业上的生产一直依赖于Haber-Bosch法，该方法需要在高温高压的反应条件下进行，以断裂稳定的N-N三键。在这个过程中，生产1 mol的氨气需要消耗约485 kJ的能量，整个氨工业每年会消耗全球占比约1%的能源供应，并排放超过3亿公吨的温室气体。因此，这一过程不符合可持续发展的理念。

近年来，以可再生的电能驱动的电化学氮还原（NRR）技术越来越受到关注，它可以克服上述的能源消耗与环境污染问题。然而这一过程仍受限于缺少高性能的催化剂，其原因在于两个方面：1）对稳定的N≡N键活化程度较差；2）与HER竞争反应的低选择性。针对这些“卡脖子”的难题，我们进行了密度泛函理论 (DFT) 的计算与分析，并提出了有效的解决方案。

文章简介

本文中，来自吉林大学的蒋青教授在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A 上发表题为“Rational design of Fe cluster catalyst for robust nitrogen activation”的研究文章。

该文章提出了一种强健的氮气激活模式，通过前线分子轨道在能量与空间取向的匹配，可以同时激活氮气简并的py与pz反键轨道。根据这一策略，单团簇催化剂Fe4/GaS可以实现氮气的强健激活，第一步加氢反应的反应能仅为0.15 eV。

本文要点

要点一：氮气的强健激活模式

催化剂电子轨道的空间取向和能量与 N2的反键轨道相匹配是N2有效活化的先决条件。N2的反键轨道可以看作py与pz轨道的反键，他们在空间取向上互相垂直，并且在能量上简并为1πg能级。Fe4/GaS催化剂的电子轨道可以同时与N2的py与pz反键轨道相匹配，因此实现了对N-N键的有效活化。