日前，郑州大学材料科学与工程学院张佳楠教授课题组在异质单原子氮还原电催化剂方面取得新进展。相关成果以“Boosting Nitrogen Reduction to Ammonia on FeN₄ Sites by Atomic Spin Regulation”为题发表在材料领域期刊《Advanced Science》上，论文第一作者为材料科学与工程学院研究生王亚瑾硕，通讯作者为张佳楠教授，郑州大学为唯一通讯单位。
氨是日常生活中重要的化肥和工业化学品的原料，对农业和工业都是必不可少的。目前，工业合成氨主要是Haber-Bosch方法，其需要在高温(400-600°C)和高压(20-40MPa)条件下进行，消耗大量能源，并排放CO₂。电化学固氮（NRR）以水为氢源，反应可在常温常压下进行，且可通过太阳能或风能等绿色能源转化的电能驱动，被认为是一种潜在的合成氨替代技术。在众多NRR电催化剂中，单原子催化剂因其原子利用率高，具有优异的催化活性和选择性。值得注意的是，异质单原子(h-SAs)的长程耦合可以改变活性位点的电子结构，从而调整过渡金属的自旋态，为提高其催化活性提供可能性。
自旋调节对于NRR的影响研究较少，针对这一问题，课题组通过低温熔融聚合的方法成功制备了异质过渡金属Fe、Mo酞氰聚合物电催化剂，其原子分散的FeN₄和MoN₄位点共同锚定在聚酞菁有机骨架(PPc)中。实验结果与理论计算表明，MoSAs的引入导致Fe自旋态发生改变，促进了NRR过程。自旋改变后，法拉第效率和产氨速率分别提高2倍。该工作巧妙地通过改变特定的局部环境来优化电子结构以提升电催化性能，为NRR电催化剂提供了一个合理的设计原则。该项工作与该团队前期发表在Nature Communications和Applied Catalysis B:Envrion上关于电子自旋结构调节的过渡金属催化材料形成系列工作。
该研究得到了国家自然科学基金、河南省高层次人才、河南省教育厅创新人才，郑州大学青年科技创新专项基金等的支持。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202102915