近日，东南大学王金兰教授课题组在固氮催化剂的研究中取得新进展，研究成果以“Metal-Free Single Atom Catalyst for N2 Fixation Driven by Visible Light”为题发表在化学类顶级期刊《美国化学会会志》(Journal of the American Chemical Society) 上。
氮元素是构成生物的最主要元素之一。尽管大气中氮气的含量高达78%，但是氮气的活化十分困难。目前工业上广泛采用Haber�Bosch法将氮气还原成氨气，然而这一过程需要在高温高压下进行，因此能耗高。据统计，每年用于合成氨的能耗超过全球年能耗的1%。光/电催化固氮是合成氨的一种新途径，能够在常温常压下实现氮气的还原，因此引起了广泛关注。核心问题就是寻找和设计高效、稳定、低廉的催化剂。
目前，高效的固氮催化剂主要是基于过渡金属（TM）化合物，而关于非金属催化剂的报道很少。这是由于过渡金属中空的d轨道和占据d电子的共存，既能够容纳氮气分子中N原子的孤电子对，又能够提供电子到氮气分子的反键轨道，从而活化N≡N三键、增强N‒TM键。
通过分析硼原子的核外电子结构，王金兰教授团队发现sp3杂化的硼原子与过渡金属类似，也同时具有空轨道和占据轨道，因此有望用于氮气的活化与还原。通过结构、性能等多方面的分析，他们最终选择g-C3N4作为衬底来负载sp3杂化的硼原子，设计了首个不含金属的单原子催化剂，B/g-C3N4。理论计算表明，B/g-C3N4可以在极低的起始电位(0.20 V)下，通过酶促机理有效地将氮气还原为氨气。此外，硼的修饰可以显著增强g-C3N4的可见光吸收，因此有望实现太阳能驱动的固氮反应。此外，该催化剂也具有很大的合成前景以及极高的稳定性。
该工作的第一作者是东南大学物理学院博士生凌崇益，王金兰教授和昆士兰科技大学杜爱军教授为通讯作者。
以上工作受到国家杰出青年基金、国家重点研发计划、江苏省“333高层次人才培养工程”、国家留学基金等项目资助。
论文链接为：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b07472