近期，我校化学化工学院工业催化学科安炜教授课题组在电催化氮气还原反应和电催化二氧化碳还原反应领域取得重要研究进展。2018级硕士生房聪作为第一作者在清华大学主办的纳米科技领域国际权威期刊《Nano Research》(SCI一区，IF=8.183)上发表题为“Single-Metal-Atom Site with High-Spin State Embedded in Defective BN Nanosheet Promotes Electrocatalytic Nitrogen Reduction”的研究论文，2018级硕士生刘海美、黄庆亮共同作为第一作者在化学领域TOP期刊《Journal of Energy Chemistry》 (SCI一区，IF= 7.216) 上发表题为“Dual-atom active sites embedded in two-dimensional C2N for efficient CO2 electroreduction: A computational study” 的研究论文，安炜教授为上述论文唯一通讯作者，我校为唯一作者单位。
电催化氮气还原反应(eNRR)可实现常温、常压环境条件下的合成氨(NH3)生产，成为小规模现场合成氨的有效解决方案，但由于缺乏能够高效选择性地将N2转化为NH3的阴极电催化剂，该领域的发展和实际应用受到严重阻碍。安炜教授指导研究生房聪采用密度泛函理论（DFT）计算方法，对二维氮化硼(BN)纳米单层缺陷位内嵌的IIIB, IVB, VB族等9种过渡金属(M)单原子活性位上的eNRR性能进行了系统研究，发现eNRR顺序加氢基元反应中存在着活性中心的磁涨落，揭示了金属单原子活性中心的电子自旋态在调节eNRR限制电位步骤中具有关键作用，高自旋的MN2B2活性位有利于降低eNRR极限电位。计算结果表明， MoN2B2 (磁矩μ = 2μB) , VN2B2 (μ = 3μB) , CrN2B2 (μ = 4μB) 活性位上的eNRR活性及生成NH3的选择性递次增高，非对称N2B2配体优于常见的单一配体；提高MN2B2活性位M中心的电子自旋态，有助于打破eNRR关键含氮反应中间体(*N2H/*N2和 *NH2/*N2)吸附能之间的线性比例关系，活性位适中的氮亲合性对实现高效的eNRR至关重要，而N2吸附能与eNRR极限电位之间的Sabatier火山型曲线关系也佐证了这一重要论点。该工作为精准设计eNRR活性位提供了新思路和理论依据。
电催化二氧化碳还原反应（CO2RR）可在温和环境条件下，将CO2直接转化为小分子燃料和化学品，当使用清洁能源提供电力时，可成为实现可持续化学和碳中和能源未来的一种可行的解决方案；然而，目前CO2RR催化剂仍面临过电位高、电流密度低、生成目标产物法拉第效率低等中长期主要挑战。为此，已经尝试并实现了许多基于理性设计的新颖催化电极材料，其中就包括著名的单原子催化剂(SAC)，而作为SAC的一个增强平台，双原子催化剂无疑是一个很自然的选项。安炜教授指导研究生刘海美、黄庆亮采用DFT计算方法，系统研究了C2N（一种多孔氮化石墨烯纳米材料）空腔内嵌七种Fe和Cu基同核和异核双原子上的CO2RR性能。计算结果表明，金属双原子N2M2N2活性位和C2N基体对活化O=C=O惰性键具有明显的协同效应，可在较低的极限电位（UL）下驱动CO2RR生成C1+产物；其中，当金属双原子M2为FeFe, FeCo，FeNi，FeCu 时，CO2RR优先生成C2H4，当M2为CuCo，CuNi, CuCu 时，CO2RR优先生成CH4；同时还发现，*CO+*CO在M2上的共吸附强度，可作为CO2RR生成C2产物的活性描述符，中等强度的共吸附有利于降低UL，M2的碳亲和性对C-C键偶联和C2H4的形成影响最大，而CH4的形成则受到M2碳亲和性和氧亲和性的双重控制。该工作有助于厘清CO2RR中复杂竞争反应之间的关系，为充分利用双原子调变的多样性和协同效应优化设计高效的阴极电催化剂，提供了理论指导和预测。
上述工作受益于国家自然科学基金(21673137)、上海自然科学基金(16ZR1413900)和美国布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1007/s12274-021-3373-4
https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.02.007