氨作為重要的化工原料,，在國防,、工業(yè),、農(nóng)業(yè)以及醫(yī)藥等領域被廣泛使用,。目前，合成氨的主要方法是Haber-Bosch法,。然而,，該方法需要高溫（350-550 °C）和高壓（150-350 atm）。而且Haber-Bosch法的年能耗約占該年全球能耗總量的1-3%,，并伴隨著大量二氧化碳的產(chǎn)生,。鑒于能源需求和環(huán)境影響，迫切需要開發(fā)一種綠色,、可持續(xù)的氨合成技術來替代傳統(tǒng)的Haber-Bosch方法,。電催化氮氣還原反應( NRR )合成NH₃具有反應條件溫和、成本低廉,、可再生能源驅(qū)動的可持續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點而受到廣泛關注,。然而，N₂較差的吸附性能,、N≡N鍵(941 KJ mol^-1)的高能量以及水溶液中相互競爭的析氫反應(HER)極大地阻礙了NRR的產(chǎn)率和法拉第效率,，極大地限制了其大規(guī)模應用。近年來,，許多電催化劑,，包括貴金屬催化劑( Au、Ag、Rh,、Ru,、Pd等)、過渡金屬催化劑( Fe,、Mo,、Co、V等)和非金屬催化劑,，已被證明具有NRR活性,。盡管如此，開發(fā)具有高活性和選擇性的高效NRR電催化劑仍然是迫切和具有挑戰(zhàn)性的,。

齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）材料科學與工程學部氫電能源材料創(chuàng)新團隊利用硼基金屬有機框架來制備金屬原子錨定在B/N共摻雜碳材料(Fe-B/N-C),，開發(fā)出一種具有三維空間結(jié)構(gòu)的花簇狀超結(jié)構(gòu)的NRR催化劑。

首先利用課題組前期報道的MBON-1為模板（Journal of the American Chemical Society, 2020, 142(19): 8755-8762.）,，改變合成條件,，采用溶劑熱法直接一步得到金屬原子摻雜的Fe-MBON-1。然后,，通過Fe-MBON-1的高溫煅燒過程實現(xiàn)了Fe原子錨定在B/N共摻雜材料上,，記為Fe-B/N-C (圖1a )。在酸性介質(zhì)中,，Fe-B/N-C表現(xiàn)出較好的NRR性能,，在- 0.4 V (vs. RHE) 時，氨產(chǎn)量和法拉第效率分別為100.1 μg·h^-1·mg-1 cat和23.0 %,。高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡( HAADF-STEM )測試和X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜( XAFS )分析證實了金屬Fe在B/N共摻雜碳材料上的原子級分散,，并且存在N-B鍵。密度泛函理論(DFT)計算證明了Fe-B/N-C催化劑更傾向于遠端機制,，硼原子與Fe-N₄(記為Fe-N₄-B)的配位氮原子相連,，增強了NRR活性。N-B鍵調(diào)節(jié)Fe原子的電荷,，促進N₂的吸附,。原子界面結(jié)構(gòu)Fe-N₄-B中的硼原子不僅可以降低Fe-N₄位點上的氮活化能壘，還可以降低反應的能壘,。該項工作為金屬原子在碳基材料的錨定提供了一定的借鑒,，在以MOFs為前驅(qū)體制備的衍生碳材料在電催化NRR的實際應用中具有重要意義，并且為高性能NRR催化劑的開發(fā)提供了新的思路,。

圖1 Fe-B/N-C的合成路線與形貌表征分析

圖2 Fe-B/N-C的結(jié)構(gòu)與表征

圖3 Fe-B/N-C的電化學性能以及穩(wěn)定性分析

圖4 Fe-B/N-C理論計算分析

上述成果以“Effect of Boron and Nitrogen Modulation in Metal Atoms Anchoring on Flower-Like Carbon Superstructure for Efficient Ammonia Electrosynthesis”為題,，發(fā)表在國際知名期刊《Chemical Engineering Journal》（IF: 15.1）上。齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）材料科學與工程學部聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生趙彥超為文章的第一作者,，材料學部閆理停副教授,、趙學波教授為文章的共同通訊作者,。

本研究得到國家自然科學基金、山東省青年創(chuàng)新團隊項目,、山東省自然科學基金,、濟南市人才發(fā)展專項等項目支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143517