氮是空气中最多的元素，是组成氨基酸的基本元素之一，在生物体内具有极大作用。如何实现高效的氮气固定，长久以来被视为“化学的圣杯”之一。近日，青岛大学的丁欣和刘霞等人在电催化固氮领域取得重要进展，首次通过间歇性脉冲电催化实现二电极体系高效电化学固氮同时合成氨和硝酸。
生物体中的氮元素根源于生物固氮酶和闪电生成铵盐和硝酸盐。工业上，氨气（铵盐主要原料）主要来源于100年前发展的Haber–Bosch工艺，然后氨气进一步通过Ostwald工艺合成HNO3。然而，这两种工艺需要的生产条件都非常苛刻，消耗大量的能源，并且排出大量的温室气体。据统计，每年生产氨和硝酸所需的能耗占化工行业能源消耗的12%，排放温室气体更是高达4.6亿吨。寻求温和、绿色的合成氨和硝酸工艺，实现可持续/分布式循环氮经济，对我国的碳中和战略具有重要意义。电催化固氮反应，利用水和氮气进行的电化学氮气还原反应制备氨气 (NRR) 和氮气氧化反应合成者硝酸 (NOR)，可以直接将可再生能源产生的电能转化为易于储存和运输的氨气或者硝酸，并保证二氧化碳的零排放，为解决当前严峻的能源和环境问题提供了新的思路。然而，固氮反应和水裂解副反应间的动力学差异导致催化选择性低、活性差。如何实现高选择性氮气定向转化一直是阻碍该领域发展的重大挑战。
该团队将氮气活化理论分为水裂解生成活性氢、活性氧的电化学过程和活性中间体与氮气作用的非电化学过程，并基于反应特点差异，开创性的将非连续的脉冲电催化应用于电催化固氮领域：通过周期性的脉冲策略周期性更新能斯特扩散层活性物质浓度，增强氮气和活性中间体的供应；缓解复杂电化学反应中各基元反应间的动力学差异，实现二电极体系的高效氮气还原氧化 (NOR选择性提升44.94倍，NRR选择性提升7.8倍)。该工作为动力学差异的多步耦合反应的电催化过程传质优化、选择性提升提供了新的研究思路。
Pulsed Electrocatalysis Enabling High Overall Nitrogen Fixation Performance for Atomically Dispersed Fe on TiO2
Mingxia Guo,# Long Fang,# Linlin Zhang, * Mingzhu Li, Meiyu Cong, Xiping Guan, Chuanwei Shi, ChunLei Gu, Xia Liu, * Yong Wang, Xin Ding*
Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202217635
研究团队简介
丁欣，硕士生导师，青岛大学特聘教授。2015年毕业于大连理工大学精细化工国家重点实验室，师从瑞典皇家工程院院士、中国科学院外籍院士孙立成教授。2015-2016年于中科院青岛生物能源与过程研究所任助理研究员。2016年10月起工作于青岛大学化学化工学院，主要从事氮气资源的综合利用（氮气还原、氮气氧化、氮气的有机化转化等）的研究工作。近三年，以通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed. (2篇), Adv. Mater., J. Energy Chem. (2篇), Chem. Commun. (3篇)等国内外知名期刊发表高水平论文18篇。先后主持国家自然科学基金、山东省优秀中青年科学家科研奖励基金等科研基金项目等6项。被聘为国际期刊《eScience》青年编委、《Advanced Power Materials》青年工作委员。
https://www.x-mol.com/university/faculty/160726
刘霞，硕士生导师，青岛大学特聘教授。主要从事能源与环境催化理论、水污染控制工程与资源化利用等方面研究。先后在Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Environ. Sci. Technol. 等期刊以一作或通讯作者身份发表25篇，其中八篇入选高被引论文，总引次数超过2500次，H-index为24。先后主持国家自然科学青年基金、湖南省自然科学青年基金、中国博士后面上基金、青岛大学人才引进基金等项目。
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