【寧夏大學(xué)新聞中心訊 化學(xué)化工學(xué)院】近日，我?；瘜W(xué)化工學(xué)院（省部共建煤炭高效利用與綠色化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）羅民教授負(fù)責(zé)的能源與環(huán)境材料研究團(tuán)隊(duì)，在電催化固氮研究方面取得重要進(jìn)展。研究成果在線(xiàn)發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)RSC數(shù)據(jù)庫(kù)國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Journal of Materials Chemistry A》（Impact Factor 2018: 10.733）。論文題目：“Long-term electrocatalytic N₂fixation by MOF-derived Y-stabilized ZrO₂: An insight into deactivation mechanism”；DOI：10.1039/D0TA01154A?；瘜W(xué)化工學(xué)院省部共建煤炭高效利用與綠色化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一通訊單位，能源與環(huán)境材料研究團(tuán)隊(duì)的羅民教授、李曉曼講師與江蘇大學(xué)材料學(xué)院劉桂武教授為本文的通訊作者，2017級(jí)應(yīng)用化學(xué)專(zhuān)業(yè)碩士生駱詩(shī)劍同學(xué)為論文第一作者。

氨作為一種常見(jiàn)的化工原料被廣泛用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和能源儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。目前，全球氨產(chǎn)量約為1.5億噸/年，主要依賴(lài)于Haber-Bosch反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但該技術(shù)不僅耗能巨大，且排放大量的溫室氣體CO₂。近年來(lái)，綠色、低能耗、高效率的電催化固氮技術(shù)逐漸成為了一種研究廣泛的合成氨新路徑。該研究工作是電催化固氮領(lǐng)域研究的重要進(jìn)展，不僅開(kāi)發(fā)了一種新型、高效的電催化劑，也為催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一條可行的研究思路與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

本文以廉價(jià)且易制備的金屬有機(jī)框架材料（UiO-66）為前驅(qū)體，通過(guò)原子摻雜引入Y³⁺，再經(jīng)一步熱處理，制備了碳包覆釔穩(wěn)定氧化鋯（C@YSZ）與碳包覆氧化鋯（C@ZrO₂）催化劑。兩種催化劑均能高效催化電化學(xué)固氮反應(yīng)（NRR），實(shí)驗(yàn)表明催化劑表面的氧空位是氮還原的主要活性位點(diǎn)。此外，C@YSZ表現(xiàn)出長(zhǎng)達(dá)7天的超長(zhǎng)壽命，是目前NRR領(lǐng)域使用壽命最長(zhǎng)的催化劑，而C@ZrO₂工作3天后即失活。本文通過(guò)密度泛函理論計(jì)算（DFT）與納克級(jí)質(zhì)量敏感的原位電化學(xué)石英晶體微天平（EQCM）證明了這兩種催化劑使用壽命不同的直接原因是其表面氧空位的穩(wěn)定性不同。本研究詳細(xì)討論并首次提出了電催化固氮過(guò)程中氧空位的作用與失活機(jī)制，對(duì)于固氮電催化劑的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)原則。

圖1電催化劑的失活機(jī)制示意圖

上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（Nos. 21965027, 21802078, 21561026）、“化學(xué)工程與技術(shù)”一流學(xué)科“煤基儲(chǔ)能與光電催化材料”科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(Grant No. NXY-LXK2017A04)的資助。