Fe-Mo-V类固氮酶无机催化剂高效电合成氨：揭示N2 弱化机制与CSIRO目标接近的突破

研究人员针对传统Haber-Bosch工艺高能耗问题，开发了仿生Fe2 V4 O13 /Mo2 S3 三元催化剂，通过缺陷工程实现N2 RR（氮还原反应）高效转化，在-0.7 V vs. RHE下获得47.6%法拉第效率（FE）和5.46 mg h-1 cm-2 的NH3 产率，接近CSIRO能源标准（6.12 mg h-1 cm-2 ），为绿色氨合成提供新策略。

　　

氨（NH₃
）作为化肥和能源载体，全球年产量超2亿吨，但传统Haber-Bosch工艺需高温高压（400-500°C, 150-300 atm），消耗全球1-2%能源并排放大量CO₂
。电化学氮还原反应（N₂
RR）可在常温常压下利用可再生能源合成氨，但面临N≡N键解离能高（941 kJ/mol）、竞争性析氢反应（HER）和催化剂效率低的挑战。受自然界固氮酶启发，台湾科技大学Dong-Hau Kuo团队设计出Fe-Mo-V三元催化剂，成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。

研究采用水热法合成Fe₂
V₄
O₁₃
/Mo₂
S₃
电极，结合XRD、XPS和原位FTIR表征，在H型电解池和流动池中测试性能，通过¹⁵
N₂
同位素标记和核磁共振（NMR）验证氨产率。

结构表征
XRD显示催化剂为缺陷型Fe₂
(Fe,V)₄
O_13-x
/Mo_2-y
S₃
非化学计量相（图1a），XPS证实Fe^3+/2+
、Mo^4+/6+
和V^3+/4+
多价态共存，促进电子转移。

催化性能
在0.5 M Na₂
SO₄
中，-0.7 V vs. RHE下实现47.6% FE和5.46 mg h^-1
cm^-2
产率（图2c），优于FeMo-N（1.12% FE）和FeS/MoS₂
（2.96% FE）。流动池在2.0 V时能耗仅29.1 kWh/kg_NH3
，能量效率（EE）达40.6%。

机制解析
原位FTIR捕获到N₂
H₂
和NH₂
中间体（图3d），提出"三键开环机制"：①V空位吸附N₂
，②Fe-Mo协同削弱N≡N键，③S位点水解离提供H⁺
，避免N₂
H₄
副产物。

结论
该研究通过仿生设计将氧化物/硫化物缺陷结构与多金属协同效应结合，首次实现接近CSIRO目标的电合成氨效率（达标准值的89.2%），为工业化绿色制氨提供新范式。12小时稳定性测试未见衰减，缺陷工程策略可拓展至其他多相催化体系。