氮化硼负载铜单原子催化剂在硝酸盐还原反应中的高效氨合成研究

为解决传统氨合成工艺高能耗、高污染问题，研究人员开发了氮化硼(BN)负载铜单原子(Cu)催化剂，通过调控B/N比和Cu负载量优化硝酸盐还原反应(NO3RR)。该催化剂在1 wt.% Cu负载和B/N=1:36条件下实现3,184.9 μg/mgcat/h的NH3产率及95%选择性，为绿色氨合成提供了新策略。

　　

氨作为化肥和化工原料的核心成分，其传统合成依赖百年历史的Haber-Bosch工艺——这一过程需500℃高温、200 atm高压，每年消耗全球2%能源并排放4亿吨CO₂。更棘手的是，电化学氮还原反应(NRR)因N₂解离困难且溶解度低，效率始终难以突破。面对双重困境，将水中硝酸盐(NO₃^-)转化为氨的NO₃RR技术因其温和反应条件和环境治理协同效应脱颖而出，但现有催化剂性能距实际应用仍有差距。

发表在《Catalysis Today》的这项研究中，美国新泽西理工学院团队创新性地设计出氮化硼负载铜单原子催化剂(CuBN)。通过精确调控B/N比和Cu负载量，发现1 wt.% Cu与B/N=1:36组合时，催化剂呈现3,184.9 μg/mg_cat/h的创纪录NH₃产率，选择性超95%。X射线吸收光谱(XAS)证实该性能源于Cu单原子与BN载体的强相互作用，而对比实验揭示Lewis酸性对反应路径的关键调控作用。

研究采用热解法构建催化剂体系，通过BET比表面积分析、程序升温还原(TPR)、X射线衍射(XRD)等表征手段确认材料结构，结合自设计H型电解池评估电催化性能。XAS技术精准解析了Cu的原子级配位环境，NH₃-TPD则量化了表面酸性位点。

表征结果显示：低于1 wt.% Cu负载时，XRD未检测到Cu晶相，表明Cu以单原子形式分散；扩展边X射线吸收精细结构(EXAFS)证实Cu-N键主导的配位环境。当Cu负载达3 wt.%时出现Cu纳米颗粒，导致活性下降。

性能测试发现：1 wt.% CuBN在0.1 M NO₃^-电解液中，-0.7 V vs. RHE电位下NH₃产率较Cu/Al₂O₃提升8倍。同位素标记实验证实氮源来自NO₃^-而非N₂。

机理研究通过对比CuBN与Cu/Al₂O₃揭示：BN载体通过B原子空位捕获Cu单原子形成B-Cu-N活性中心，其适中的Lewis酸性促进NO₃^-吸附而不过度抑制NH₃脱附。密度泛函理论(DFT)计算显示该构型使速率决定步骤能垒降低0.38 eV。

该研究不仅创制出性能领先的NO₃RR催化剂，更建立了载体Lewis酸性调控反应选择性的新认知。其环境效益尤为突出：处理含50 mg/L NO₃^-（WHO限值）的水体时，单次反应即可达标。作者指出，未来通过反应器设计和工艺优化，该技术有望实现工业级绿色氨合成与水质净化的双重目标。