工业化固氮是人类社会历史的转折点，支撑着世界近一半人口的生计。近年来，氨作为一种新型的能源载体逐渐引起业界的关注。然而，目前的工业合成氨反应（哈珀法）需要在高温高压进行，而且集中化的合成氨工艺业不适合分布式的农业生产。因此，利用可再生能源在温和的条件下实现电化学氮气还原反应吸引了研究人员广泛的兴趣，它允许按需、现场实现氨气的生产，而原料来自于无处不在的氮气和水。低成本的碳基催化剂是催化电化学N₂还原反应(NRR)的理想催化剂。然而，碳基催化剂对NRR的活性来源尚不清楚，在合理设计碳基NRR电催化剂时缺乏准确普适的机理和原则。近日，天津大学凌涛教授等人合作，基于理论计算和实验观察的结合，系统地评估了硫氧基元素(O, S, Se, Te)掺杂的碳材料作为NRR催化剂的潜力。他们发现杂原子掺杂诱导的电荷积累效应促进了碳原子对N₂的吸附，自旋极化增加了第一个质子形成*NNH的电位决定步骤。Te和Se掺杂的C催化剂表现出较高的固有NRR活性，优于大多数金属基催化剂。该工作建立了碳基材料的电子结构与NRR性能之间的关系规律，为碳基催化剂在NRR的应用奠定了基础。

Tao Ling; Yuanyuan Yang; Lifu Zhang; Zhenpeng Hu; Yao Zheng; Cheng Tang; Ping Chen; Ruguang Wang; Kangwen Qiu; Jing Mao; Shi-Zhang Qiao. The crucial role of charge accumulation and spin polarization in activating carbon‐based catalysts for electrocatalytic nitrogen reduction. Angewandte Chemie International Edition, 2020.

DOI: 10.1002/anie.201915001

https://doi.org/10.1002/anie.201915001