目前，在工業上通過哈伯法合成氨需要高溫高壓（150-350 atm, 350-550℃）。這種苛刻的條件每年需要消耗全世界1-2%的能源供應。此外，傳統的哈伯法合成氨需要氫氣作為原料之一，而傳統制氫的過程會排放大量CO2。因此，探索在溫和條件下合成氨的催化反應顯得尤為重要。

 

近日，中國科學技術大學曾杰教授研究團隊和中科院上海應用物理研究所司銳教授合作，通過構筑原子級分散的釕催化劑實現高效氮氣電還原合成氨。這種釕單原子催化劑在電催化還原氮氣反應中表現出的產氨速率是現有報道的最高值。該成果發表在《先進材料》雜志上，并被選為卷首插圖。

 

氮氣電化學還原合成氨反應可在常溫常壓下進行，并且可以選擇水作為氫的來源，從而引起了科學工作者的廣泛關注。然而，迄今為止，所報道的電催化劑在氮氣電化學還原反應中的產氨速率很低，難以滿足工業需求。因此，研發能夠高效電化學還原氮氣合成氨的電催化劑是一項非常有挑戰性的任務。

 

針對這一難題，研究人員選擇金屬有機框架（ZIF-8）為基體，通過在反應前驅體中加入釕基化合物，調控釕在金屬有機框架中的存在形式。研究人員發現，當加入的釕基化合物較少時，可以得到高度分散的氮配位釕單原子催化劑（Ru SAs/N-C）。而增加釕基化合物的投入量后，釕將以小顆粒形式分散于金屬有機框架中（Ru NPs/N-C）。隨后，研究人員將這兩種催化劑應用于氮氣電化學還原反應中，發現Ru SAs/N-C催化劑在相對標準氫電極-0.2V的電壓下，可以高效電催化還原氮氣合成氨，產氨速率高達120.9 μgNH3 mg-1cat. h-1，產氨速率是Ru NPs/N-C的1.98倍。實驗和理論計算研究進一步揭示出氮配位釕單原子催化劑的高效催化性能主要來源于單原子催化劑對氮氣分子的高效解離。該項研究工作不僅開辟了單原子催化劑在電化學合成氨反應中新途徑，而且進一步推進了電化學方法合成氨在實際應用中的可能。