近日，我院刘天西教授/张龙生副教授与中国科学技术大学谢毅院士合作，在高性能氮还原催化剂研制方面取得了重要进展，研究成果以“Conjugated Coordination Polymers with Well-Defined Single-Atom Metal Sites for Efficient Nitrogen Electroreduction to Ammonia”为题在线发表在材料领域学术期刊《Advanced Functional Materials》上（DOI:10.1002/adfm.202502874）。
氨是一种重要的化工原料，在农业和工业等领域发挥着重要的作用。氨也是一种重要的储能中间体和清洁能源载体。目前氨的工业合成主要依赖Haber-Bosch制氨工艺，该工艺条件苛刻，需要在高温高压环境下进行。而且，其高能耗、高碳排放的特征与我国“双碳”的可持续发展战略目标相悖。因此，发展高效、低能耗、绿色可持续的氨合成技术具有重要意义。电催化氮还原制氨技术可在常温常压下将氮气直接还原成氨，是一种极具潜力的氨合成技术。由于氮气的高解离能垒和析氢竞争反应的存在，电催化氮还原制氨技术体系仍面临着法拉第效率低、氨产率低等关键问题。
针对上述问题，本工作报道了一种共轭配位聚合物基氮还原催化剂，其具有丰富的金属单原子位点，且这些金属单原子位点的配位结构可灵活调制。在此类共轭配位聚合物催化剂中，共轭有机配体与过渡金属原子之间会形成配位键，其结构中π-d电子离域特征（共轭有机配体π轨道与过渡金属d轨道的杂化）可实现电荷快速迁移，赋予了共轭配位聚合物催化剂良好的导电性。此类共轭配位聚合物催化剂展现出优异的氮还原性能，其法拉第效率可达56.3%，其氨产率可达37.3 μg mg-1h-1。该工作以镍（Ni）单原子为例，合成了具有NiN4和NiO4配位结构的共轭配位聚合物催化剂，并系统研究了其配位结构对氮还原制氨性能的影响规律。理论和实验结果均表明，与NiO4活性位点相比，NiN4活性位点的Ni 3d中心更高，可显著增强其对氮气分子的吸附与活化，可降低其在氮还原反应中的能量势垒，进而实现了氨产率的提升。该工作的研究结果表明了共轭配位聚合物作为一类催化剂在电催化氮还原反应领域具有较大的潜力，也深化了对电催化氮还原反应过程的理解，有望为高性能氮还原催化剂的设计开发提供有益借鉴。
图1：共轭配位聚合物催化剂的结构示意图
