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该综述聚焦单原子催化剂(SACs)在电化学合成氨(EAS)领域的应用,探讨其反应机理与性能,分析载体与单原子相互作用对催化稳定性和活性的影响,总结优势与挑战,并展望电催化氮还原(ENRR)的发展前景。
单原子催化剂(SACs)因原子级分散的金属中心、高活性及最大化原子利用率,在催化领域备受关注。在电化学合成氨(EAS)中,氮气(N?)因强三键(N≡N)、高键解离能(~941 kJ/mol)和短键长(~1.1 ?)呈化学惰性,需降低活化能,SACs 成为理想选择。其性能与活性位点(?s)微环境密切相关,该微环境决定反应物吸附活化及产物脱附,调控微环境对电化学应用的高活性、选择性和稳定性至关重要,但精准调控面临合成中活性位点控制难及催化机理不明等挑战。
SACs 在电催化领域潜力显著,氨(NH?)作为全球广泛生产的化学品,也是潜在重要的能量存储中间体和清洁能源载体,此综述聚焦 SACs 用于 EAS 的最新进展。SACs 催化剂设计策略独特,其活性位点明确且可调,合成技术包括湿化学法、原子层沉积、电化学沉积和热解等,在能源、分析和环境应用中展现巨大潜力。在电催化氮还原(ENRR)中,低配位金属活性位点的 SACs 作为高效催化剂,可将 N?转化为 NH?。
氨是重要化学品,需可持续高效合成方法以满足全球需求并减少碳排放,环境条件下的 ENRR 能耗低且有分散生产潜力。SACs 具可调电子结构、丰富活性位点和明确配位环境等优势,是 EAS 和机理研究的理想选择,但存在如 N?吸附弱等挑战。
本研究得到中国国家基础研究计划(21972027)、广东先进能源科学与技术实验室佛山仙湖实验室(XHD2021-001,XHD2022-001,492305,472303)和广东省基础与应用基础研究基金(2022A1515110627)支持,且无利益冲突声明。