01

導讀

氨是一種重要的化工原料，因其高氫含量和成熟的運輸路線，可作為能源存儲的載體。目前，氨氣主要是由哈伯-博施 (Haber-Bosch)工藝制備的，生產(chǎn)過程使用的化石燃料會造成較多的CO2排放。因此，采用可再生能源電還原N2制備NH3來替代傳統(tǒng)的哈伯-博施法，引起了廣泛的研究興趣。

02

成果背景

N2還原制備NH3過程需要6個電子和6個質(zhì)子的轉(zhuǎn)移，熱力學上比從質(zhì)子還原到H2更有利。然而，某些單獨的步驟的還原電位比N2|NH3的平均還原電位 (0.092 V vs.SHE) 低的多，導致了電催化過程中較大的過電位。因此，析氫是N2電還原過程的一個有害的副反應，具備高效率和選擇性的 N2電還原催化劑仍然非常稀缺。

近期，哥廷根大學學者總結(jié)了利用雙組分分子催化劑體系進行N2到NH3的電化學轉(zhuǎn)化，在室溫和1atm N2壓力下實現(xiàn)了較高的法拉第效率。相關(guān)工作以Two catalysts are better than one為題發(fā)表在Nature Energy上。

03 關(guān)鍵創(chuàng)新

兩種分子催化劑協(xié)同可在溫和的條件下高選擇性電還原N2制備NH3。

04

核心內(nèi)容解讀

圖1 雙分子催化劑電化學還原N2示意圖。反應由1H+/1e?氧化還原介質(zhì) (1+/1H+) 和分子催化劑介導；Eappl，-1.35 V vs Fc+|0; TsOH, 對甲苯磺酸。工作電極為摻硼金剛石。@The Authors

如圖1所示，氧化還原介質(zhì)在外加電位下被質(zhì)子化和還原形成1H+，1H+又與第二種催化劑反應激活并還原N2，同時生成1+。研究人員探索了7種不同的分子催化劑，在氧化還原介質(zhì) (1+)的基礎上進行N2到NH3的轉(zhuǎn)化，表明這種電化學策的氧化還原和動力學相容性。當1+與鉬配合物2結(jié)合使用時，NH3法拉第效率最高，達到55%；當1+與鎢配合物3結(jié)合時，轉(zhuǎn)換數(shù)最高可達到40。

Peters和他的團隊的方法的主要特點是通過使用氧化還原介質(zhì)1H+來耦合電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移步驟以避免某些需要更負電位的還原步驟。例如，在沒有1H+的情況下，中間體[L2(TsO)W= N-NH2]+(L = 1,2-雙(二苯基膦基)乙烷，TsO-=甲苯磺酸鹽)-3的雙質(zhì)子化產(chǎn)物的還原需要?1.9 V，這比Fc+|0的施加電勢更負（-1.35 V）。

05

總結(jié)與展望

盡管這種雙分子催化方法不太可能推廣于技術(shù)應用，但它們可以為催化過程中的單元步驟提供有價值的見解，提供關(guān)于中間體電子結(jié)構(gòu)要求的重要信息，以及正如該工作中所述的創(chuàng)新的方法轉(zhuǎn)化具有挑戰(zhàn)性的基質(zhì)。

審核編輯：劉清