大连化物所通过纳米反应器缺陷工程策略实现低电位电化学固氮

天健网消息（苏盼盼大连新闻传媒集团记者金东淑）近日，中科院大连化物所刘健研究员团队与澳大利亚伍伦贡大学梁骥团队合作，通过缺陷工程铁掺杂的策略，开发了铁掺杂氧化钨(W₁₈O₄₉)纳米反应器，在低电位下同时实现了较高的氨产率和较高的法拉第效率，为电催化高效固氮提供了新思路。

氨是重要的无机化工产品之一，为制造尿素、化肥等提供了原材料。传统合成氨利用哈伯-博世法方法，该方法能耗高、污染大，且需要高温高压的条件。电催化合成氨在室温常压下即可进行，具有高能效、低排放等优点，因此吸引了越来越多研究者们的兴趣。

在电催化合成氨过程中，存在氮较难活化的问题，另外，在室温电化学合成氨反应的同时，存在竞争反应即析氢反应，由于两者能垒相似，难以同时实现较高的法拉第效率和较高的氨产率。

研究团队通过纳米反应器缺陷工程铁掺杂的策略，很好地控制了氧化钨中的氧空位状态。结合Ab initio计算发现，利用氧化钨固有的低氢气结合能，通过缺陷工程调控，得到最大化的活性位点（钨）的暴露，极大地削弱了析氢反应，并降低了室温下电化学氮还原反应的能垒。因此，在相对可逆氢电极-0.15伏的极低电位下，优化铁掺量的氧化钨，同时获得了较高的氨产率（24.7微克/(小时*毫克催化剂））和较高的法拉第效率（20.0%）。证实了铁掺杂策略和调整后的氧空位状态能够共同优化氧化钨的电子状态和表面结构，从而提高氮气的吸附强度，进而获得低电位的反应路径。该工作为各类电化学反应过程的催化剂的设计与调控提供了新的思路。

上述工作于近日发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）杂志上。该工作得到国家自然科学基金、中科院洁净能源创新研究院合作基金等项目的资助。