近日，东南大学物理学院王金兰教授课题组在电化学固氮机理的研究中取得重要进展，其研究成果以“New Mechanism for N2 Reduction: The Essential Role of Surface Hydrogenation”为题发表在化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society（《美国化学会志》）上。
氮元素是构成生物的最主要元素之一。氮气由于键能较高、活化十分困难，因此难以直接应用。目前工业上普遍采用Haber–Bosch法将空气中的游离氮转化为化合态氮（NH3），然而这一过程需要在高温高压下进行，能耗高，并且产生大量的温室气体。电化学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，因而备受关注。然而，目前关于电化学固氮机理的研究并不全面，存在局限性。例如，根据现有的反应机理，由于N2吸附强度弱，导致N2活化不充分，因此贵金属催化剂（Au、Pd等）表面N2的电化学还原需要很高的还原电位来驱动。然而，一系列实验报道表明，Au、Pd等催化剂能够在极低的还原电位下催化N2的电化学还原，从而导致理论与实验之间存在显著的差异。
针对这一问题，王金兰教授课题组利用第一性原理计算，提出一种全新的电化学固氮机理，表面氢化机理。不同于常规机理中反应的第一步是N2的吸附与活化，在表面氢化机理中，H+的还原是反应的第一步，从而形成表面氢化。在表面*H原子与催化剂的协同作用下，N2能够与表面*H原子反应生成*N2H2中间体，并最终被还原为NH3。整个反应过程中，表面氢化是电位决定步，而N2与*H原子反应生成*N2H2是速率决定步。该机理能够很好的描述贵金属催化剂表面的电化学固氮过程、解决理论与实验之间的差异。此外，基于该机理，作者提出可以通过增加电解质溶液中碱金属离子的浓度来提高催化剂的活性，这一策略也与最近的实验报道相吻合。因此，该研究能够为电化学固氮催化剂的研究与设计提供全新的思路。
本文的第一作者是博士后凌崇益，王金兰教授为通讯作者。该工作受到国家杰出青年基金、国家重点研发计划、博士后科学基金等项目的资助。
论文链接为：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b09232