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赣南师范大学唐绍彬教授最新研究成果在《美国化学会志》（JACS）上发表

化学加 · 公众号 · 化学 · 2020-12-25 17:06

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导读

近日，赣南师范大学化学化工学院唐绍彬教授团队的最新研究成果《包夹在氮化硼和石墨烯层间的单原子实现非强且非弱的极化场作为有效的固氮催化剂》（Realizing A Not-Strong-Not-Weak Polarization-Electric Field in Single Atom Catalysts Sandwiched by Boron-Nitride and Graphene Sheets for Efficient Nitrogen Fixation）在化学领域顶级杂志《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）（影响因子14.695）上发表，唐绍彬为论文第一作者，赣南师范大学为该研究成果第一完成单位。

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氨（或称氨气，分子式NH3）对地球上的生物相当重要，它是许多食物和肥料的重要成分，也是制造硝酸、化肥、炸药的重要原料，在国民经济中占有重要地位。目前工业合成氨的方法是Haber-Bosch工艺：在高温高压条件下，利用催化剂将氮气和氢气转化为氨。高能耗、污染，且对设备要求高等是Haber-Bosch工艺的缺点。温和条件下电催化N2还原（NRR）合成氨所需设备简单、易操作，已成为近年来一种广泛研究的新路径，其中，研发高稳定、高活性、低成本的NRR电催化剂是关键核心技术。

（氮分子在BN/TM/G上活化和极化示意图）

在众多潜在催化剂中，过渡金属（TM）单原子催化剂（single-atom catalysts, SACs）凭借其独特的高活性、高原子利用率等优势，在电催化N2还原领域具有广阔的应用前景。然而，SAC过强的极化效应也会对电催化NRR带来负面影响。

该课题研究团队采用第一性原理模拟，首次设计了单TM原子夹在氮化硼（BN）片和石墨烯层间的三明治结构（BN/TM/G）作为高效的NRR SACs。原创性地提出了，用电荷分布局域的BN和电荷离域的石墨烯包夹单TM原子的三明治结构，实现了不太强，也不太弱的极化场，从而提高氮还原的活性和选择性。

通过考察一系列金属原子，研究团队发现了SACs能够贡献电子给BN片，进而在表面上建立一个优化的极化场。临近TM位置的B原子接受了金属原子的极化电荷从而被活化，可以作为氮分子活化和还原的催化位点。这种三明治SACs中优化的极化场具有优异的NRR电催化活性，并且可以有效抑制析氢反应。该工作不仅为活化惰性BN片提供了的一个新的策略，而且为电催化合成氨提供了新的路径。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c09527

来源：赣南师范大学

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