氨是最廣泛的工業(yè)化學(xué)品之一，全球產(chǎn)量約為每年1.7億噸，主要通過(guò)哈伯-博施工藝實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。然而該反應(yīng)必須在高溫和高壓條件下進(jìn)行，每年需消耗1％全球能源，并排放超過(guò)4.5億噸二氧化碳。今年兩會(huì)上，碳達(dá)峰、碳中和首次被寫入政府工作報(bào)告，解決哈伯-博施工藝所帶來(lái)的高能耗和溫室氣體排放等問(wèn)題已迫在眉睫。近年來(lái)，常溫常壓下水相電催化氮還原提供了一種可能的方式。但由于產(chǎn)氫競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)激烈，以及氮?dú)夤逃械娜芙舛鹊汀⒌I難以活化等屬性使水相電催化氮還原進(jìn)入發(fā)展瓶頸。非水相鋰介質(zhì)氮還原作為一種新的產(chǎn)氨策略，可以通過(guò)鋰在非水溶劑中氧化還原循環(huán)，實(shí)現(xiàn)高效氮?dú)獾幕罨桶钡漠a(chǎn)生。然而非水相鋰介質(zhì)氮還原目前仍面臨著鋰作用機(jī)理模糊和催化材料設(shè)計(jì)策略匱乏等問(wèn)題，阻礙非水相氮還原的發(fā)展。
近日，南京大學(xué)鄒志剛/姚穎方團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)非水相氮還原過(guò)程中的多米諾效應(yīng)：即一旦完成第一步鋰離子還原，整個(gè)氮還原反應(yīng)將如推倒的多米諾骨牌一般，自發(fā)完成后續(xù)氮?dú)夤潭ê瓦€原的發(fā)展。
圖1：原位XRD監(jiān)測(cè)鋰介質(zhì)氮還原反應(yīng)中間物種
該團(tuán)隊(duì)利用我司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的原位XRD電化學(xué)反應(yīng)池，通過(guò)原位XRD技術(shù)監(jiān)測(cè)鋰介質(zhì)氮還原過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了氮還原中鋰中間產(chǎn)物的變化，驗(yàn)證了鋰離子還原是鋰介質(zhì)氮還原反應(yīng)的關(guān)鍵步驟。另外，研究者以碳紙擔(dān)載金納米顆粒作為模型電極材料，發(fā)現(xiàn)金納米顆粒可充當(dāng)鋰離子還原的電催化材料。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，金與鋰有更高的電子親和力，有效降低了鋰離子還原的電子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘。而碳作為一種典型的鋰電化學(xué)插層材料，表現(xiàn)出更高的電子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘，限制了鋰還原動(dòng)力學(xué)。該研究結(jié)果表明鋰離子還原電催化劑對(duì)氮還原電極材料的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，為電催化氮還原的研究提供了全新的思路。該論文發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。
圖2：原位XRD測(cè)試裝置圖
圖3：金催化鋰離子還原促進(jìn)氮?dú)夤潭?/span>
論文信息：
Domino effect: gold electrocatalyzing lithium reduction to accelerate nitrogen fixation
文章的第一作者是南京大學(xué)環(huán)境材料與再生能源研究中心博士生高麟峰和曹媛。研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、江蘇省研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃資助完成。
DOI: 10.1002/anie.202015496
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202015496
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