双原子电催化剂理性设计与构筑研究获进展

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员章福祥、肖建平团队，在双原子电催化剂（DACs）理性设计与构筑方面取得进展。团队基于具有优异导电性和水稳定性的金属有机框架材料（cMOF），通过对铜–镍双原子活性中心的精准调控，实现了在工业级电流密度下，接近100%选择性地高效合成氨，揭示了硝酸根电还原合成氨过程中的协同“接力催化”机制。

双原子催化剂凭借双金属活性位点间的协同作用，可有效突破单原子催化剂在多电子反应中的性能瓶颈。然而，DACs在结构均一化、位点精确控制，以及电子结构调节方面仍存在挑战。针对这一难题，研究团队以结构明确、水稳定且导电性能优异的MOF为模型平台，提出并验证了在导电MOF中，实现双原子位点精确构筑与调控的理性设计策略，为发展高效、可扩展的电催化体系提供了新思路。

团队合成了一系列Cu_xNi_y-DBCO导电MOF，通过系统调节铜/镍比例，实现了对硝酸根电还原制氨（NO₃RR）活性和选择性的精准优化。研究发现，NO₃^–→NO₂^⁻（R₁）和NO₃^–→NH₃（R₂）两个关键反应步骤的相对速率，决定了整体合成氨性能。其中，位点明确、结构均一的Cu_98.5Ni_1.5-DBCO催化剂实现了100%氨选择性、98.5%法拉第效率，以及200.7mgh^-1mg_cat^-1的高产氨速率。

原位光谱表征与密度泛函理论计算揭示，铜位点优先还原硝酸根生成亚硝酸根中间体（NO₂^–），镍位点可将残余的NO₂^–转化为NH₃，两者形成协同“接力催化”路径，实现高效且选择性突出的NO₃^–→NH₃转化过程。基于该高性能催化剂，研究团队进一步构筑了可充电Zn–NO₃^–电池，实现了35.6mWcm^-2的领先功率密度与优异的同步产氨性能，展示了导电MOF在可再生能源转化与储能领域的应用潜力。

太阳能光催化技术，是实现太阳能至化学能转化的重要方式之一，助催化剂的开发是实现高效光化学转化的重要一环。近年来，团队致力于设计合成具有单原子分散的电催化新材料，围绕水氧化、水还原、氧还原、甲烷转化、合成氨及二氧化碳还原等典型反应，开发了系列高性能新材料，有望作为助催化剂构筑高效的太阳能光化学转化体系。

相关研究成果发表在《美国化学会志》上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。

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研究实现双原子催化位点的理性设计与高选择性电催化合成氨