浙大傅杰Angew: 缺陷氮化碳中产生受阻的Lewis对,实现高效电催化氮还原成氨

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工业上氨生产主要依靠Haber-Bosch(H-B)工艺(反应条件:400-500 °C,20-40 MPa),而电化学氮还原反应(NRR)生成氨可以在环境条件下进行,并且可以减少CO2的排放,降低反应能耗。为了进一步促进NRR反应的发展和应用,开发高效廉价的NRR催化剂并系统地研究其分子结构、内在活性以揭示活性位点的作用和结构-性质关系至关重要。


近日,浙江大学傅杰课题组将硼氢化钠(NaBH4)、氨基钠(NaNH2)和介孔碳(MC)在N2氛围下高温下退火,得到缺陷氮化硼碳(BCN)以用于高效NRR。
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综上所述,通过一种简单的分子设计策略,成功地合成了具有FLPs结构的BCN(BCN中具有未淬灭的Lewis酸位点(缺乏电子的B原子)和碱位点(富含电子的N原子)。邻近的缺电子B和富电子N将催化剂从单一的“Lewis酸催化”升级为“FLPs催化”,因此NRR产氨气的法拉第效率高达18.9%,氨产率为20.9 μg h-1mg-1cat,并且该催化剂还具有优异的长期耐久性。
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此外,催化剂结构表征、14N2/15N2交换实验和密度泛函理论(DFT)计算进一步表明,FLPs可以吸附N2分子形成六元环中间体,使N2通过拉动效应发生异裂,从而显著降低了限速步骤的能垒。总的来说,本研究报道了一种具有优良活性的NRR催化剂,而且也提供了一种通过调节双活性位点的富电子或缺电子杂原子以产生高附加值产物的催化剂制备策略。
Creating Frustrated Lewis Pairs in Defective Boron Carbon Nitride for Electrocatalytic Nitrogen Reduction to Ammonia. Angewandte Chemie International Edition, 2022. DOI: 10.1002/anie.202207807




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